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Auteur(s)
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Jean-Claude GUIBET : Docteur ès Sciences de l’Université de Louvain - Coordonnateur Carburants à l’Institut français du Pétrole - Professeur à l’École nationale supérieure du Pétrole et des Moteurs
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Les carburants sont des produits dont la combustion en présence d’air permet le fonctionnement des moteurs thermiques à pistons (de type essence ou diesel) ou à flux continu (réacteurs d’avion, turbines à gaz). On ne doit pas confondre les termes carburant et combustible, ce dernier étant, quant à lui, réservé aux produits utilisés pour la fourniture d’énergie thermique dans les chaudières, les fours, les centrales...
Cet article est consacré exclusivement aux carburants ; le lecteur pourra toutefois se référer utilement à la description des combustibles liquides (BE 8 546), car certains produits peuvent être à la fois des carburants et des combustibles. C’est le cas, par exemple, du fuel oil domestique (FOD) utilisé à la fois pour le chauffage des habitations et pour l’alimentation des moteurs diesel de tracteurs agricoles. C’est le cas aussi des fuels lourds qui servent principalement à la fourniture d’énergie thermique dans l’industrie, mais aussi à la traction dans de très gros moteurs marins.
Dans leur immense majorité, les carburants sont des liquides, ce qui permet d’obtenir un excellent compromis entre la compacité, la facilité et la sécurité de mise en œuvre. Les carburants gazeux [gaz naturel, gaz de pétrole liquéfié (GPL)] se développent actuellement pour des usages spéciaux (circulation urbaine), en raison de leur caractère peu polluant ; toutefois, leur diffusion reste encore, au voisinage de l’an 2000, extrêmement faible. Rappelons, en effet, que, dans le monde, plus de 700 millions de véhicules utilisent des carburants liquides, alors que 4 millions seulement sont alimentés par du gaz naturel ou du GPL. Quant aux carburants solides (charbon, bois) leur contribution qui fut parfois importante en période de pénurie énergétique ne revêt plus maintenant qu’un intérêt historique.
Les carburants proviennent essentiellement du pétrole qui, lui-même, assure encore, à l’approche des années 2000, une part importante de la consommation d’énergie primaire dans toutes les régions du monde [cf. Doc. BE 8 545]. Dans le bilan pétrolier, la production de carburants obtenue grâce à un raffinage de plus en plus sophistiqué, constitue souvent le débouché principal, notamment dans les zones fortement industrialisées où le transport sous toutes ses formes est extrêmement développé (États-Unis, Japon, Europe occidentale).
En dehors du pétrole, deux autres filières permettent d’obtenir des carburants liquides, mais elles sont, l’une et l’autre, très marginales, tout au moins en termes de débouchés.
La première concerne les biocarburants provenant, comme leur nom l'indique, de la biomasse. Il s’agit plus précisément d’éthanol issu de la fermentation de céréales (maïs, blé) ou de plantes sucrières (betteraves), d'éthyltertiobutyléther obtenu par action de l’éthanol sur l’isobutène, et enfin de dérivés d’huiles végétales (colza, tournesol...). Actuellement et pour longtemps encore, l’accès aux biocarburants n'est pas compétitif sur le plan économique ; ceux-ci ne sont donc utilisés que pour résorber des excédents agricoles et, dans certains cas, pour faire face à des problèmes spécifiques de pollution atmosphérique.
Le gaz naturel peut également être transformé, via le gaz de synthèse (CO + H2), puis éventuellement le méthanol, en carburants liquides. Cette filière, très intéressante d'un point de vue technique, demeure toutefois coûteuse sur le plan aussi bien énergétique qu’économique et ne pourrait, semble-t-il, se développer qu’en cas de renchérissement notable du pétrole brut (avec un cours de l’ordre de 25 $/bl).
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- Version courante de juil. 2011 par Xavier MONTAGNE
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Carburants pour moteurs à allumage commandé2. Aspects énergétiques et environnementaux
Dans tous les types de moteurs, l’énergie chimique du carburant est transformée en énergie mécanique, grâce au processus de combustion vive dont certaines caractéristiques doivent être rappelées ici.
2.1 Équation stœchiométrique de combustion. Définition de la richesse
En matière de bilan global de combustion, la structure chimique du carburant (nombre d’atomes de carbone de la chaîne carbonée, nature des liaisons, ramifications) n’intervient pas directement ; seule importe la composition globale, c’est-à-dire la teneur massique en carbone, hydrogène, éventuellement oxygène et soufre.
Ainsi, l’analyse élémentaire quantitative du carburant fournit une formule globale (CHy Oz St ) n où le coefficient n, lié à la masse moléculaire moyenne, n’a pas d’influence sur le dosage air-carburant.
L’équation chimique de combustion s’écrit alors :
On admet que l’air contient en volume 20,9 % d’oxygène et 79,1 % d’azote ; l’argon dont la teneur volumique dans l’air est 0,93 % et les autres gaz présents à l’état de traces, sont assimilés à l’azote.
Le rapport stœchiométrique r est le quotient des masses respectives d’air et de carburant mises en présence dans l’équation de combustion précédente :
avec :
- ma :
- masse d’air
- mc :
- masse de carburant
r est généralement compris entre 13 et 15 pour les hydrocarbures, plus précisément entre 14 et 14,5 pour les carburants liquides classiques (essences, gazole, carburéacteurs) ; r augmente avec le rapport H/C, passant de 11,49 à 34,46 du carbone à l’hydrogène pur ; par ailleurs, r diminue lorsque la teneur en oxygène du carburant augmente.
Selon...
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