Moteurs Diesel et combustion du bois en accusation

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Les particules fines (PM 2,5), une des composantes majeures de la pollution de l’air, seraient responsables d’un grand nombre de décès en France et dans le monde. Celles produites par les moteurs Diesel et par la combustion du bois dans les cheminées sont souvent mises en cause. Les moteurs à essence émettent des particules ultrafines (inférieures à 0,1 μm), plus fines que celles rejetées par les moteurs Diesel et donc difficiles à prendre en compte. D’autres sources importantes de particules fines, de nature chimique différente, contribuent à la pollution atmosphérique. Les réseaux de surveillance fournissent la concentration massique des particules fines et ces mesures sont corrélées avec les données de santé. Sont-elles représentatives de la nocivité des particules fines et plus particulièrement de celles émises par les moteurs Diesel ou la combustion du bois ?

1. Quelques éléments sur les pollutions de l’air par les particules

1.1. Quels effets craint-on ?

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Figure 1. Dans l’atmosphère certaines particules, ayant des dimensions supérieures à quelques micromètres, constituent les germes autour desquels se condense la vapeur d’eau pour former les nappes de brume, de brouillard ou autres hydrométéores. [Source : © Alain Herrault]
La nature, la quantité et la localisation des pollutions de l’air (Figure 1) ont beaucoup évolué, en général dans le bon sens, mais leurs effets sur la santé sont toujours d’actualité et largement médiatisés. D’après l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) et l’Institut de Veille Sanitaire (INVS) en France, les particules fines (PM 2,5), l’une des composantes de la pollution atmosphérique, seraient responsables dans le monde, de 7 millions par an de décès prématurés, dont 48 000/an en France soit 9 % de la mortalité totale. Ce serait la troisième cause de mortalité après la consommation de tabac (78 000) et l’alcool (49 000), l’addition de ces trois causes représentant environ le tiers des décès en France. Au niveau mondial un décès sur 8 serait dû à la pollution atmosphérique, alors qu’en France c’est environ un sur dix. À 30 ans l’espérance de vie serait diminuée de 15 à 24 mois. Bien que ces chiffres très élevés soient largement diffusés dans le public par l’ensemble des media, ils demeurent peu visibles concrètement (on parle de tueur invisible). La morbidité due à la pollution de l’air s’observe aussi dans les sites pollués, avec toujours les particules fines considérées comme responsables.

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Figure 2. Variations des concentrations de particules dans l’atmosphère (mesurées par opacimétrie ou fumées noires) à Paris depuis 1956 jusqu’à 1999 : les concentrations ont été divisées par 5 dans cette période de 43 ans. [Source : © Laboratoire d’hygiène de la ville de Paris]
On trouvera dans l’article « Les pollutions de l’air » la liste des principaux polluants de l’atmosphère dont certains peuvent avoir une origine naturelle. Si cette pollution est périodiquement au premier plan de l’actualité, ses effets sur la santé n’ont pas toujours été une préoccupation majeure. Au cours du 20e siècle, néanmoins, cette pollution de l’atmosphère a été considérablement réduite (voir figure 2). Dans les années 1980, la destruction de la couche d’ozone puis les risques liés aux changements climatiques ont éclipsé les problèmes de santé. Lors du « Grenelle de l’Environnement » en 2007, l’instauration d’un bonus-malus lors de l’achat d’un véhicule automobile ne prenait en compte que les émissions de gaz carbonique (CO2) et donc les risques de changements climatiques.

1.2. D’où proviennent-elles ?

On analyse dans ce qui suit les deux principales sources de particules aujourd’hui mises en cause, en particulier en France, celles provenant des moteurs Diesel des voitures particulières, et à un degré moindre celles émises par la combustion du bois dans les cheminées. Il existe d’autres sources majeures de particules fines, moins médiatisées, qui peuvent avoir des effets sur la santé. Dans les mesures des concentrations massiques, utilisées pour évaluer les effets des particules sur l’homme, il n’y a pas de différenciation en fonction de l’origine ou de la nature des particules. Elles ne proviennent pas toutes de combustions et ont donc des propriétés physico-chimiques différentes. Certaines sont d’origine naturelle comme les pollens, les spores et les bactéries ; elles peuvent aussi, même en concentration faible, avoir des effets sur la santé. À titre d’exemple, on pourra noter l’importance respective des diverses sources émettrices de PM 2,5 en France métropolitaine, d’après le CITEPA [1] (Centre Interprofessionnel Technique d’Études de la Pollution Atmosphérique), et l’évolution de ces sources entre 1990 et 2013 (voir Figure 9).

La pollution est également présente dans l’air des locaux de travail et d’habitation. Dans certaines régions du globe l’érosion éolienne et la combustion de la biomasse entraînent la mise en suspension de nombreuses particules et autres polluants dont les effets sur la santé sont peu étudiés (voir section 7 ci-dessous). Ils sont quantifiés par extrapolation des effets observés dans les régions polluées par les activités humaines. Ces pollutions, dont les niveaux peuvent être élevés, sont transportées par la circulation atmosphérique sur de très grandes distances à l’échelle de toute la planète comme le montre la vidéo [2] de la Figure 3, mais aussi les Figures 5 et 7.


Figure 3. Vidéo illustrant le transport des pollutions atmosphériques à l’échelle de tout le globe terrestre, du 17 août 2006 au 10 avril 2007, obtenue par le Goddard Earth Observing System Model, Version 5 (GEOS-5). Couleurs : vert pour carbone noir et organique, rouge-orangé pour les poussières, blanc pour sulfates, bleu pour le sel marin. La nature des particules est différente suivant la latitude. [Source : © NASA]

N’oublions pas les particules ultra-fines ou nanoparticules émises en particulier par les moteurs à essence, dont le nombre est très important, mais la masse très faible par comparaison avec celle des particules fines (lire Les particules polluantes de l’air : de quoi s’agit-il ?). Même si ces particules ne sont généralement pas prises en compte dans les études des effets de la pollution sur la santé, bien qu’elles soient souvent considérées comme les plus dangereuses, elles sont présentes dans l’aérosol atmosphérique, associées aux PM 2,5.

2. Les moteurs Diesel

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Figure 4. Circulation automobile sur une autoroute à l’entrée de Los Angeles, USA, illustrant la forte densité des sources de particules fines. [Source : Downtowngal [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]
Les moteurs Diesel qui équipent les voitures particulières et les poids lourds, très nombreux sur les routes (Figure 4), mais aussi les engins de chantier, les machines agricoles, les locomotives, les bateaux ont été pendant de nombreuses années une cause majeure de pollution de l’atmosphère en raison de leurs émissions de particules, d’hydrocarbures, de composés du soufre, d’oxydes d’azote.

L’un des avantages du moteur Diesel est sa bonne efficacité énergétique. À puissance égale il consomme moins de carburant que les moteurs à essence et rejette donc moins de gaz carbonique. C’est un moteur à auto-allumage : le carburant (gazole) est pulvérisé dans le cylindre, l’air est chauffé par la compression, le gazole s’enflamme spontanément sans recourir à un allumage commandé par des bougies. Une combustion complète produirait essentiellement du gaz carbonique. Cependant, le mélange n’est pas homogène et la combustion n’est pas complète dans l’ensemble du cylindre. Les gouttelettes de gazole n’ont pas le temps de s’évaporer et elles ne sont que partiellement brûlées. Il y a donc formation de particules d’imbrûlés, des composés organiques (acétaldéhyde, acroléine, benzène, formaldéhyde, etc.), des HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques), du carbone, des oxydes d’azote, du gaz carbonique, matières dont on peut observer le déplacement sur la vidéo de la Figure 3. L’injection à des pressions très élevées, destinée à mieux pulvériser le carburant, permet d’améliorer la combustion et de diminuer les émissions de particules. Les filtres à particules au niveau de l’échappement sont aujourd’hui obligatoires. Leur efficacité est rarement remise en cause. La régénération des filtres est en principe automatique.

La Mairie de Paris, le ministère français de l’écologie, ainsi que d’autres villes et gouvernements, veulent restreindre la circulation des voitures particulières Diesel au cours des prochaines années. Des constructeurs automobiles vont dans la même direction, en privilégiant dans leur stratégie pour le futur, les moteurs électriques ou hybrides. La condamnation des moteurs Diesel conduirait en effet à un plus rapide renouvellement des véhicules anciens et au développement de nouveaux types de motorisation.

Le bonus-malus mis en place à la suite du Grenelle de l’environnement, n’a pas pris en compte les polluants autres que le dioxyde de carbone (CO2) qui peuvent avoir des effets sur la santé, dont les particules fines. Ce bonus-malus, favorisant les moteurs Diesel, continue à être appliqué, mais le prix du gazole est augmenté pour dissuader l’achat de voitures Diesel.

3. Les moteurs à essence

Ils sont moins mis en cause que les moteurs Diesel. Dans ces moteurs, l’explosion est amorcée par une étincelle électrique produite par une bougie (moteurs à allumage commandé). La combustion est plus homogène mais il y a aussi des imbrûlés et une émission de particules beaucoup plus fines que dans les moteurs Diesel. Ce sont essentiellement des particules ultrafines ou nanoparticules de dimension inférieure à 0,1 μm (.) Même si ces nanoparticules sont très nombreuses, la masse totale est faible. Les nouveaux moteurs à essence à injection directe, à pression élevée (100 bars) dans les cylindres, permettent des gains de consommation. Mais, comme dans le cas de l’injection de gazole, il y a émission d’oxydes d’azote et formation de particules dont la composition ne doit pas être très différente de celle des moteurs Diesel mais la taille plus fine. Dans les moteurs classiques ces oxydes sont arrêtés par un pot catalytique. On retrouve dans ces nouveaux moteurs des problèmes de pollution comparables à ceux du Diesel. Les filtres à particules ne sont pas encore obligatoires mais le respect de la réglementation européenne va les rendre indispensables.

4. Les normes européennes pour les voitures particulières, particules et oxydes d’azote

Les normes d’émission concernent les principaux polluants émis par les voitures particulières (Diesel et essence). Elles ne se limitent pas aux seules particules. Celles qui sont définies à l’échelle de l’Europe, appelées Euro, sont régulièrement révisées et rendues de plus en plus sévères. Elles sont exprimées en mg/km (voir le Tableau 1 et l’article Pollution de l’air extérieur : comprendre pour informer et prévenir). Pour les véhicules Diesel, de Euro 5 à Euro 6, la norme est passée, pour les oxydes d’azote de 180 à 80 mg/km et pour les particules de 5 à 4,5 mg/km. En 1992 avec Euro 1 elle était de 140 mg/km. Les dernières valeurs ne peuvent pas être atteintes sans filtre. En raison des températures élevées dans les moteurs Diesel ou à injection directe (1400°C) il y a formation d’une plus grande quantité d’oxydes d’azote NO et NO2 globalement désignés par NOx. Les moteurs Diesel sont ainsi considérés comme des sources majeures de ces polluants. Ils vont participer de façon active à la chimie et photochimie de l’atmosphère et donner des composés secondaires toxiques. Notamment, ils constituent l’une des composantes de la formation d’espèces très oxydantes comme l’ozone. C’est la raison pour laquelle la norme d’émission des oxydes d’azote a été diminuée de plus d’un facteur 2 avec Euro 6 par rapport à Euro 5. Elle est de 60 mg/km pour les moteurs essence. En 1992, les émissions de NOx n’étaient pas réglementées quel que soit le type de moteur. La réglementation est ainsi devenue de plus en plus contraignante obligeant les constructeurs à faire des améliorations sur les émissions des moteurs.

Tableau 1. Évolution des normes Euro pour les véhicules à moteur Diesel ou à essence de 1992 à 2014 en mg/km (sauf particules en nombre). *, Uniquement pour les voitures à essence à injection directe fonctionnant en mélange pauvre (combustion stratifiée). **, le règlement n° 459/2012 a autorisé les voitures à essence à injection directe à émettre 6×1012 particules jusqu’en 2017 ; désormais, elles sont limitées à 6×1011 comme pour les véhicules Diesel.

Pour limiter les émissions d’oxydes d’azote, les moteurs à essence sont équipés d’un pot catalytique qui permet d’oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés mais aussi de réduire les oxydes d’azote. Toutefois, pour être efficace le moteur doit être chaud, ce qui limite son efficacité pour de courts déplacements. Dans les moteurs Diesel le catalyseur oxyde le monoxyde de carbone et les hydrocarbures. Le mélange air-carburant étant pauvre, c’est-à-dire riche en air et oxygène le pot ne permet pas de réduire les oxydes d’azote.

Un système de recirculation des gaz EGR (Exhaust Gaz Recirculation) permet de réduire les émissions d’oxydes d’azote dans les moteurs Diesel, en abaissant la température des gaz d’échappement, mais de façon insuffisante et il doit être accompagné d’un post-traitement. Il en existe actuellement deux principaux. Le système de réduction catalytique sélective (SCR ou selective catalytic reduction) [3]. Son principe consiste à injecter une solution aqueuse d’urée ou Adblue qui se transforme en ammoniac gazeux et transforme les NO2 en azote. Un système d’injection et de stockage de l’Adblue est nécessaire et le plein du réservoir d’Adblue d’une quinzaine de litres doit être effectué tous les 15 à 20 000 kilomètres. Avec le deuxième procédé ou « piège à oxydes d’azote » ces derniers sont piégés dans un pot catalytique grâce à des métaux précieux, les oxydes sont ensuite régulièrement transformés en azote. Le piège à NOx est d’un coût moins élevé que le système SCR mais il est moins efficace. Ces systèmes sont sensibles à la température extérieure et nécessitent des réglages qui peuvent varier avec les conditions d’homologation. Les émissions, mesurées sur banc, sont critiquées et doivent être complétées par des mesures effectuées en conditions d’utilisation des véhicules.

Pour prendre en compte les particules ultrafines, à partir d’Euro 5, une norme a été définie concernant le nombre de particules des moteurs Diesel qui ne doit pas dépasser 6.1011 particules/km.  Pour les moteurs essence à injection directe, cette norme a imposé de limiter les émissions en nombre à 6.1012 particules/km en septembre 2014, puis à 6.1011 en 2017, comme pour les Diesel. Pour le monoxyde de carbone la norme est plus sévère pour les Diesel que pour les moteurs à essence, respectivement 500 et 1 000 mg/km.

Avec Euro 6 les normes d’émissions des moteurs Diesel et des moteurs à essence sont comparables. Équipés de filtre à particules, les moteurs Diesel doivent en principe émettre moins de particules fines et de particules ultrafines que les moteurs essence. Si les constructeurs respectent les normes et n’essaient pas de les contourner comme cela paraît avoir été le cas [4] pour certains d’entre eux pour les oxydes d’azote, la condamnation des seuls moteurs Diesel ne se justifierait plus si les voitures neuves respectent effectivement les normes. Les émissions peuvent toutefois dépendre des conditions d’utilisation du véhicule, ce qui rend plus difficile le contrôle des émissions. Il faut bien souligner que la pollution aujourd’hui est principalement produite par les véhicules les plus anciens, en particulier Diesel. Le coût de la dépollution condamne toutefois les plus petites voitures. En avril 2019 l’Union européenne a entériné un règlement qui réduit en 2030 les émissions de CO2 des voitures neuves de 37,5% par rapport à 2021. Ceci implique une réduction de la consommation globale des véhicules et donc une diminution des émissions polluantes associées.

5. Les poids lourds contribuent à la pollution

particules polluantes europe - concentration PM10 europe
Figure 5. Carte pour l’Europe des concentrations moyennes journalières en µg/m3 des concentrations en PM10 calculées pour la journée du 14 mars 2014. [Source : © PREV’AIR, domaine public]
Les poids lourds, qu’ils transportent des marchandises ou des passagers, sont équipés de moteurs Diesel, mais leur contribution à la pollution est peu mise en cause par les media. Ils sont soumis à des normes Euro qui sont exprimées en g/kWh, ce qui ne facilite pas la comparaison entre poids lourds et voitures particulières. La dernière norme Euro 6, en vigueur depuis janvier 2014, fixe la valeur limite pour l’émission des particules à 10 mg/kWh. Les émissions de NOx et de particules ont été réduites de 95 % et 97 % depuis 1993 (Euro 1). Pour la première fois, la norme Euro 6 fixe un nombre maximum de particules. Ces valeurs limites rendent obligatoire le filtre à particules pour les nouveaux poids lourds.

La pollution due aux poids lourds émise dans les agglomérations, près des routes et autoroutes, se manifeste aussi à l’échelle régionale, où elle contribue à augmenter la pollution générale. Le transport des marchandises par chemin de fer devrait être la règle. La loi récente favorisant les déplacements par bus des personnes contribue à l’augmentation des émissions de polluants, qui s’ajoutent aux rejets des poids lourds transportant les marchandises. Ce type de transport (marchandises et personnes) n’est pas mis en cause dans les mesures de restriction des émissions en période d’épisode de pollution. De plus, contrairement aux chemins de fer, le juste prix des infrastructures des transports routiers n’est pas répercuté dans le coût des transports routiers, car les charges d’entretien des autoroutes ne sont pas payées par les poids lourds au prorata des usures de chaussée qu’ils produisent. « L’écotaxe », applicable au réseau non autoroutier, qui aurait permis de financer en partie les infrastructures routières, a été votée par le parlement français puis abandonnée malgré des équipements déjà réalisés. Comme le montre la Figure 5, les fortes concentrations en PM 10 fournies par PREV’AIR [5] s’observent pour le nord et le centre de l’Europe pour une large étendue qui n’est pas limitée aux zones urbaines. Il n’est pas suffisant de limiter les émissions des voitures Diesel dans le centre des zones urbaines pour avoir un air de bonne qualité.

Dans le cas des poids lourds (et autres engins comme les bateaux, les locomotives, etc.) les moteurs à essence ne peuvent pas remplacer les moteurs Diesel. Il est souvent annoncé que, dans un proche avenir, ceux-ci pourraient être remplacés par des piles à combustible, associées à des moteurs électriques. Mais cette technologie n’est pas encore au point et il n’est pas établi qu’elle sera économiquement concurrentielle avec les moteurs Diesel dépollués.

En avril 2019 le eurodéputés ont adopté une proposition de règlement encadrant pour la première fois les émissions de CO2 des Poids Lourds, dans les pays de l’Union Européenne. Le poids lourds doivent réduire les émissions de CO2 de 15% d’ici 2025 et de 30% d’ici 2030, par rapport aux émissions de 2019. Le Conseil des Ministres doit encore approuver ce règlement en mai 2019. De plus, 2% des véhicules neufs devront être à faible ou zéro émissions d’ici 2025. Les émissions de polluants devraient diminuer en proportion.

6. La combustion du bois

Plus récemment ce sont les cheminées ouvertes qui sont mises en cause, notamment en Île-de-France avec interdiction par un arrêté de la Préfecture de Paris à la suite de la recommandation du Plan de Protection de l’Atmosphère (PPA), suivie d’une annulation de cette autorisation à la suite d’une intervention de la Ministre de l’écologie. La combustion du bois est une source de pollution de l’air et en particulier de particules mais elle est aussi encouragée par des avantages fiscaux dans le cadre de la filière bois-énergie. Son utilisation ne se limite pas à l’Île-de-France, mais elle a été médiatisée lors de cet épisode administratif.

On trouve dans la combustion du bois un grand nombre de polluants dont des composés organiques divers, des HAP, des dioxines, des particules, qui correspondent à des combustions incomplètes. Les émissions dépendent de la nature du bois (bois durs et bois tendres), de la teneur en vapeur d’eau (facteur important qui doit être inférieur à 15 %), du type de foyer, de la température de la combustion, qui peut varier de 300 à 700°C. Le rendement de la combustion, les émissions sont d’autant plus importantes que la température est faible. Les cheminées ouvertes ont un très faible rendement, de l’ordre de 10 % et émettent un grand nombre de particules. Les inserts, les poêles modernes, ont des rendements qui atteignent 70 %.  En Île-de-France il y aurait 100 000 cheminées à foyer ouvert.

La filière bois-énergie a manifesté son inquiétude à la suite de la condamnation de la combustion du bois. Elle incite en effet à l’utilisation du bois, en particulier pour le chauffage des habitations. Les écologistes ont par contre protesté contre la suppression de l’interdiction du bois à Paris. Pour les représentants de la filière bois, la combustion de ce matériau ne contribue que pour 5 % à la pollution atmosphérique en Île-de-France ; pour la DRIEE (Direction Régionale de l’Industrie, de l’Environnement et de l’Énergie) cette contribution s’élève à 25 ou 30 %.

À titre de comparaison, au Canada et aux USA des normes ont été définies pour augmenter et réglementer l’efficacité des foyers de combustion du bois. L’EPA (l’agence de l’environnement américaine, équivalent de notre ministère de l’écologie) a défini une certification des foyers qui a été reprise au Canada. En France, les fabricants de poêles, inserts ont défini des normes présentées sous le sigle de « Flamme Verte », avec des étoiles pour caractériser les performances. Depuis 2015 les plus performants ont 5 étoiles et ce niveau permet d’obtenir des avantages fiscaux de l’administration lors de l’installation. Le label flamme verte 5 étoiles correspond à un rendement de combustion de 70 %, à des émissions de monoxyde de carbone (CO) inférieure à 0,3 %, de particules inférieures à 90 mg/Nm3 (30 fois moins qu’une cheminée ouverte). De nouvelles classes sont en perspective avec 6 ou 7 étoiles.

Tableau 2. Évolution des normes du label flamme verte. À noter que depuis le 1er janvier 2018, l’obtention des classes 6 et 7 étoiles du label est conditionnée à deux nouveaux critères d’éligibilités complémentaires sur les composés organiques gazeux et les oxydes d’azote (NOx).

7. Feux de biomasse et érosion éolienne

feux vegetation afrique
Figure 6. Les feux de végétation dans les régions de Savane en Afrique de l’Ouest (chaque point noir représente un feu). Image obtenue le 12 décembre 1986 avec les canaux 3 et 4 du satellite d’observation NOAA-AVHRR canaux 3 et 4. Chaque feu est allumé par l’homme pour brûler les herbes. D’une longueur de 1 km environ ou plus, il se propage en épargnant les arbres. Les particules et gaz émis lors de la combustion sont transportés vers la zone de forêt au sud. Cette pollution vient s’ajouter aux particules provenant de l’érosion éolienne de la zone plus au nord.

Pour établir à l’échelle du globe la mortalité due aux particules, d’autres sources doivent être prises en compte. Ainsi l’atmosphère des régions intertropicales en Afrique, en région de savane, est polluée par les feux de végétation qui sont pour la plupart allumés par la main de l’homme (Figure 6, d’après Brustet et al. [6]). Le bois est aussi encore largement utilisé pour la préparation des repas. Les foyers sont parfois dans des locaux mal ventilés. Il en résulte des expositions importantes aux particules et autres polluants. Les émissions résultant de la combustion de la biomasse sont transportées depuis les régions de savane de l’hémisphère nord et de l’hémisphère sud, pendant leurs saisons sèches respectives, vers la forêt équatoriale où l’on retrouve des composés secondaires comme l’ozone à des niveaux comparables à ceux observés dans les pays industrialisés. Cette pollution vient s’ajouter à celle produite par l’érosion éolienne qui entraîne des concentrations en particules très élevées, quelques centaines de µg/m3, que la circulation atmosphérique et les plus fines se transportent sur de longues distances, plusieurs milliers de kilomètres (voir Figure 3). L’érosion est d’autant plus intense que le sol est sec et la végétation rare. Ces particules ont des dimensions comprises entre 0,1 et 100 µm.

Ce phénomène d’érosion éolienne n’est pas spécifique à l’Afrique. II se produit dans toutes les régions arides ou semi arides, par exemple dans les régions méditerranéennes. Ces particules viennent s’ajouter à la production anthropique, mais leur nature est très différente et elles ne présentent pas la même toxicité. L’extension à l’échelle planétaire des effets des particules sur la santé et la mortalité, en particulier à partir de mesures satellitaires, ne prend pas en compte leurs propriétés différentes de celles des particules anthropiques.

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Figure 7. Concentrations en µg/m3 des PM 2,5 à l’échelle de la planète, obtenues par mesures satellitaires et mesures au sol, moyennées sur la période 2001-2006. Les régions les plus affectées sont dans les zones tropicales, notamment avec les particules provenant de l’érosion éolienne. [Source : Aaron Van Donkelaar et al., Environmental Health Perspectives 2015, vol123, https://doi.org/10.1289/ehp.1408646]
Les plus fortes concentrations de particules fines (PM 2,5) s’observent cependant dans les régions intertropicales (Figure 7). Leurs effets sur la santé s’ajoutent à ceux dus aux très fortes températures en saison sèche (plus de 40°C). Le programme de recherches ACASIS (Alerte aux Canicules au Sahel et à leur impact sur la Santé) a pour objectif de prévoir les canicules et d’en définir les effets sur la santé. Il faut noter que les fortes températures correspondent en général à de fortes concentrations de particules, ce qui doit entraîner des effets de synergie.

8. Autres sources de particules

Les autres sources de particules sont nombreuses. Dans les transports routiers, aux particules venant de la combustion des carburants, il faut ajouter les particules émises avec l’usure des pneus, des freins et du revêtement routier. Dès le début du XXsiècle les activités industrielles et la production d’énergie avec les centrales au charbon puis au fioul, ont été des émetteurs importants de polluants, dont des particules de nature chimique très diverses, certaines très toxiques.

carbone vallee de l'arve - combustion bois pollution vallee de l'arve
Figure 8. Dans la vallée de l’Arve, entre 2013 et 2015, évolution des concentrations en carbone suie provenant de la combustion du bois de chauffe (en vert, BCwood burning) et des carburants fossiles (en noir, BCfossil fuel) provenant pour les trois sites du programme DECOMBIO. [Reproduit avec permission des auteurs]
Les particules peuvent être émises directement dans l’atmosphère ou résulter de réactions chimiques ou photochimiques en phase gazeuse ou dans les brumes ou brouillards. Dans les années 1970, une manifestation importante a été l’acidification des précipitations qui entraînait un dépérissement des forêts, dans certaines régions en Europe et aux États-Unis. Ce type de pollution appelé « pollution transfrontière » a été aujourd’hui maîtrisé. Les sources industrielles, en particulier, ont aujourd’hui beaucoup diminué en raison de la fermeture d’usines, du traitement des effluents, etc.

Pour caractériser les imbrûlés dans les particules, on mesure le contenu en carbone ou carbone suie, ou encore Black Carbon (voir Figure 8). On peut différencier les particules provenant de la combustion de la biomasse de celle émise par la combustion des combustibles fossiles [7]. Cette mesure reste ponctuelle et n’est pas généralisée dans les réseaux de surveillance. Elle n’est pas utilisée pour différencier dans l’aérosol la toxicité des différentes particules et leurs effets sur la santé.

Figure 9. Évolution des émissions en France des PM 2,5 d’après le CITEPA de 1990 à 2015. Les émissions des transports ont été réduites d’un facteur 2 entre 1990 et 2010, d’un facteur 2,5 entre 1990 et 2015. Les émissions d’autres polluants toxiques ont elles aussi diminué de façon importante. [Source : © CITEPA, inventaire national d’émissions de polluants atmosphériques au format SECTEN-avril 2017]
L’agriculture est aussi une source importante de particules d’origines diverses. Les régions polluées ne se limitent pas aux zones urbaines, comme on peut le voir sur les Figures 6 et 9. Les émissions des automobiles dans les agglomérations ne sont pas les seules responsables de la dégradation de la qualité de l’air. L’inventaire des émissions publié par Le CITEPA confirme la diversité des sources (Figure 9). Pour les PM 2,5 le transport routier correspond à 18 % des émissions, l’agriculture à 9 %, la combustion du bois énergie à environ 45 %.

AIRPARIF (l’organisme chargé de la surveillance de la pollution de l’air en Île-de-France) effectue des inventaires des émissions pour la région Île de France. Les résultats publiés vont dans le même sens avec une diminution des émissions pour le trafic routier et le chauffage au bois.

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Figure 10. Un exemple d’exposition à une pollution inhomogène provenant des automobiles. Elle peut être diminuée en évitant de recevoir le panache sans dilution, dans l’air de l’habitacle. [Source : © J. Fontan]
En milieu pollué, lorsqu’on est au voisinage des sources, les concentrations des polluants peuvent être très inhomogènes. Les doses d’exposition, qui caractérisent les quantités inhalées, sont alors difficiles à évaluer. Un exemple, parmi bien d’autres, permet d’illustrer ce phénomène. Plusieurs organismes ont comparé la dose d’exposition aux polluants d’un piéton, d’un cycliste, d’un automobiliste. La plus forte est en général celle de l’automobiliste. Ceci n’a rien de surprenant. En effet, lors d’un embouteillage les automobiles viennent se placer sous le tuyau d’échappement de la voiture qui précède, pare-chocs contre pare-chocs.  Les polluants émis par la voiture qui précède pénètrent largement dans l’habitacle. Une distance de quelques mètres permet une dilution des polluants et donc de limiter la pollution dans les voitures. Une recommandation simple serait de conseiller aux automobilistes de laisser un intervalle avec la voiture qui précède (voir Figure 10). L’installation de filtres à particules pour l’air qui rentre dans l’habitacle, plus performant que ceux des systèmes de climatisation, permettrait d’éliminer une grande partie des particules, d’améliorer la qualité de l’air et de diminuer les doses d’exposition.

9. Particules ultrafines

Elles ne sont pas mesurées en tant que particules ultrafines dans les réseaux de surveillance de la pollution atmosphérique ce qui ne veut pas dire pour autant qu’elles ne sont pas présentes et qu’elles n’ont pas d’effets sur la santé. Elles sont prélevées avec les particules fines et elles sont confondues avec ces dernières en raison de leur faible masse. Leur concentration doit être mesurée en nombre par unité de volume. Leur pénétration et dépôt dans l’appareil respiratoire sont analysés dans l’article sur les propriétés des particules (lire Les particules polluantes de l’air : de quoi s’agit-il ?).

particules ultrafines toulouse - pollution toulouse
Figure 11. Variations diurnes moyennes des concentrations (en nombre) des particules ultrafines, dans la ville de Toulouse pour différents mois de l’année.

Les sources de particules ultrafines sont nombreuses. Elles se forment en particulier lors de combustions mais proviennent aussi de réactions dans l’atmosphère entre gaz comme le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote, des hydrocarbures, sous l’action le plus souvent du rayonnement solaire. Elles sont composées de sulfates, de nitrates, de composés du carbone. Elles peuvent résulter de la condensation de vapeurs métalliques d’effluents industriels. Elles peuvent être d’origine naturelle à la suite par exemple de l’émission, par la végétation, de composés organiques comme les terpènes, l’isoprène. Avec le rayonnement solaire elles ont un aspect bleuté en raison de leur faible dimension qui diffuse préférentiellement les courtes longueurs d’onde du rayonnement solaire (diffusion de Rayleigh, lire Les particules polluantes de l’air : de quoi s’agit-il ? et Les couleurs du ciel). On parle parfois de blue haze. Ces particules, provenant de la décomposition d’essences végétales, sont parfois considérées comme bénéfiques pour la santé. Elles sont ou ont été mises en avant dans des villes autrefois classées comme bioclimatiques, comme Arcachon [8].

Comme pour les particules fines, les concentrations des particules ultrafines sont plus importantes pendant les mois d’hiver, avec le même type de variation diurne pour tous les mois de l’année : un minimum en fin de nuit, des maxima en début de matinée et en fin de journée. Sur la Figure 11 on peut noter le nombre important de particules entre 104 et 105 particules par cm3, ce qui est typique d’une zone urbaine. Les particules fines ne représentent qu’une faible fraction du nombre de ces particules (quelques dizaines par cm3) [9]. La diminution en milieu de journée correspond au développement de l’instabilité des basses couches de l’atmosphère plus importante en été qu’en hiver. Cette variation diurne est typique des sources locales. (Elle est moins accentuée pour les particules, que par exemple pour les oxydes d’azote, montrant une plus grande contribution locale pour les oxydes d’azote en zone urbaine). La photochimie est très active en été avec le rayonnement solaire. La composition de l’air n’est pas la même en été et en hiver. Parmi les nombreux polluants d’origine photochimique se formant dans l’atmosphère on peut citer l’ozone, dont la toxicité et le pouvoir oxydant sont bien connus. Les particules ultrafines, très nombreuses, vont se coaguler entre elles ou se fixer sur des particules plus grosses limitant ainsi la durée de vie des plus fines ; cette coagulation n’affecte pas la concentration en masse, mais uniquement les propriétés des particules.

10. Autres difficultés pour caractériser la pollution par les particules

Nous avons vu que les automobiles avec moteur Diesel ne sont pas les seules responsables de la pollution par les particules. La concentration massique qui est mesurée dans les réseaux de surveillance (ou encore par satellite ou avec des modèles) ne prend pas en compte la nature et la toxicité des particules. Celles-ci peuvent absorber de la vapeur d’eau, en particulier s’il s’agit de particules solubles. En fonction du degré hygrométrique, il en résulte des variations de leur masse et de leur dimension lors du prélèvement.

La pollution de l’air, en particulier dans les zones urbaines polluées, est un mélange complexe de polluant, dont des particules ultrafines, qui présentent des effets de synergie. Il est alors difficile de quantifier la responsabilité de chacun, notamment celle des particules fines et ultrafines. Les concentrations sont très inhomogènes ce qui complique la détermination des doses d’exposition et l’implantation des capteurs dans les réseaux de mesure des polluants. La composition du mélange de polluants varie avec le rayonnement solaire qui entraîne des réactions photochimiques et de nouveaux polluants souvent plus toxiques. Les caractéristiques physiques et chimiques des particules sont modifiées.

La météorologie agit sur la santé et le bien-être. C’est le domaine de la biométéorologie. La température est le paramètre dont les effets, en particulier sur la mortalité, sont les mieux connus. Ils dépendent du climat et du mode de vie des populations. Il faut les distinguer des effets des particules ou des polluants dont les variations de concentration sont liées aux variations de température. Des particules vivantes comme des bactéries, des virus, des spores, des pollens sont sensibles aux conditions météorologiques et peuvent avoir des effets sur la santé.

Les niveaux de la pollution atmosphérique ont beaucoup diminué depuis les débuts de la surveillance de la qualité de l’air, dans les années 1950, en particulier pour les particules comme le montre la Figure 2. Les moteurs Diesel étaient moins nombreux mais ils étaient très polluants. Les conséquences sur les effets sur la santé ne sont pas quantifiées, en dehors d’épisodes de très forte pollution, comme ceux de la vallée de la Meuse ou de Londres. La mise en évidence d’une amélioration très sensible de la santé (que l’on peut supposer) serait un argument permettant au public de mieux comprendre les enjeux d’une amélioration de la qualité de l’air.

11. Messages à retenir

  • La nocivité des particules émises par les moteurs Diesel des automobiles n’est pas contestable mais il y a de nombreux autres engins, dont les poids lourds, qui fonctionnent avec des moteurs Diesel.
  • Les automobiles récentes sont équipées de systèmes antipollution qui limitent très fortement leurs émissions de particules et d’oxydes d’azote.
  • Il y a bien d’autres sources de particules entraînant des concentrations élevées de particules dans l’atmosphère, dont certaines sont d’origine naturelle. Une partie est susceptible de produire des allergies.
  • Les principaux secteurs responsables de la production de particules fines (PM 2,5) sont la combustion de bois pour chauffer les habitations, l’agriculture avec l’utilisation d’engrais, les industries manufacturières et les transports.
  • Les particules ultrafines sont collectées avec les particules fines dont elles ne sont pas séparées en raison de leur faible masse. Leur nombre est très important.
  • Les normes d’émission Euro pour les moteurs, définies à l’échelle de l’Union Européenne, concernent aussi bien les particules fines que les oxydes d’azote. Pour les véhicules Diesel comme pour les véhicules à essence, la norme Euro 6 pour les particules est de 4,5 mg/km. Cette valeur ne peut pas être atteinte sans l’adjonction de filtres.
  • La complexité des phénomènes en ce qui concerne la pollution de l’air et ses effets nécessite une approche tout à fait multidisciplinaire avec des médecins, des épidémiologistes, des physiciens, des chimistes, des météorologistes, etc.

 


Références et notes

Image de couverture. Les émissions des automobiles Diesel et des cheminées brûlant du bois, considérées comme très nocives pour la santé, sont régulièrement mises en accusation. Mais d’autres sources importantes existent, en particulier la circulation des poids lourds, ainsi que, dans certaines régions, l’érosion éolienne et la combustion de biomasse. [Source : montage à partir d’images libres de droits]

[1] https://www.citepa.org/fr/air-et-climat/polluants/poussieres-en-suspension

[2] https://gmao.gsfc.nasa.gov/research/aerosol/modeling/nr1_movie/

[3] https://fr.wikipedia.org/wiki/Réduction_catalytique_sélective

[4] Le constructeur Volkswagen avait mis au point un logiciel qui désactivait le système de contrôle des émissions de NOx  lorsque le test était achevé ; les émissions étaient alors très supérieures aux normes.

[5] Le programme PREV’AIR est présenté dans l’article Pollution de l’air extérieur : comprendre pour informer et prévenir

[6] J.M. Brustet, J.B. Vickos, J. Fontan, A. Podaire, F. Lavenu. 5e colloque international « Mesures Physiques et Signatures en Télédétection« . ESA Courchevel 14-18 janvier, vol 1, p 663-671

[7] Florie Chevrier, Irena Ježek, Guillaume Brulfert, Grisa Močnik, Nicolas Marchand, Jean-Luc Jaffrezo et Jean-Luc Besombes « DECOMBIO – Contribution de la combustion de la biomasse aux PM10 en vallée de l’Arve : mise en place et qualification d’un dispositif de suivi », Pollution atmosphérique [En ligne], N°231 – 232, mis à jour le : 09/02/2017, URL : http://lodel.irevues.inist.fr/pollution-atmospherique/index.php?id=5952

[8] J. Fontan, La météorologie à l’origine de tous nos maux ?, Vuibert Sciences, 2013

[9] A. Lopez, J. Fontan, P. Boulard., Atmospheric Environment, 1982, vol 16, n° 2 p 283-292


L’Encyclopédie de l’environnement est publiée par l’Université Grenoble Alpes - www.univ-grenoble-alpes.fr

Pour citer cet article: FONTAN Jacques (2019), Moteurs Diesel et combustion du bois en accusation, Encyclopédie de l’Environnement, [en ligne ISSN 2555-0950] url : https://www.encyclopedie-environnement.org/air/moteurs-diesel-combustion-du-bois-en-accusation/.

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