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direction des Routes Centre d'Etudes des Tunnels les dossiers CALCUL DES EMISSIONS DE POLLUANTS DES VEHICULES AUTOMOBILES EN TUNNEL J.P. MARSAULT P. CARLOTTI Edition avril 2002

Calcul des émissions de polluants des véhicules automobiles en tunnel.pdf

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direction des Routes

Centre d'Etudes des Tunnels les dossiers

CALCUL DES EMISSIONS DE POLLUANTS

DES VEHICULES AUTOMOBILES EN TUNNEL

J.P. MARSAULT P. CARLOTTI

Edition avril 2002

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2

s o m m a i r e

Préambule......................................................................................................................................4

1 - PRESENTATION.......................................................................................................................5

2 - DEFINITION DU PARC AUTOMOBILE.....................................................................................6

2.1 – Définitions ..............................................................................................................................6

2.2.1 – Types de véhicules .........................................................................................................6

2.1.2 – Notion de parc statique et parc roulant............................................................................6

2.1.3 – Réglementation européenne sur les émissions...............................................................6

2.2 – Evolution du parc français de véhicules légers .......................................................................7

2.2.1 – Emissions unitaires de polluant.......................................................................................7

2.2.2 – Véhicule essence et véhicule diesel................................................................................7

2.2.3 – Age du VL moyen et répartition selon la réglementation européenne..............................7

2.3 – Evolution du parc de poids lourds...........................................................................................8

2.3.1 – Caractéristiques poids - puissance du PL moyen par type d'itinéraire.............................8

2.3.2 – Age du PL moyen et rattachement à EURO pour le parc roulant global ..........................8

2.3.3 – Age du PL moyen sur itinéraire international...................................................................8

3 - METHODES DE CALCUL DES EMISSIONS ..........................................................................11

3.1 – Principe de calcul .................................................................................................................11

3.2 – Calcul des émissions des véhicules légers...........................................................................11

3.3 – Calcul des émissions des poids lourds .................................................................................12

4 - DONNEES CHIFFREES POUR LES VL..................................................................................14

4.1 – Emissions unitaires de base.................................................................................................14

4.2 – Coefficients d'émission EURO f2, f3 et f4 ...............................................................................18

4.3 – Coefficient d'altitude pour les VL (hiE et hiD) ..........................................................................18

4.4 – Taux de diésélisation du parc VL (a VLD) ...............................................................................18

4.5 – Particules fines mises en suspension par le trafic (ePM-VL) ....................................................19

4.6 – Coefficient de sécurité σVL ....................................................................................................19

5 - DONNEES CHIFFREES POUR LES PL..................................................................................20

5.1 – Emissions unitaires de base.................................................................................................20

3

5.2 – Coefficients d'émissions EURO f1, f2, f3 et f4 .........................................................................21

5.3 – Influence du poids et de la puissance des PL (g)..................................................................21

5.4 – Influence de l'altitude (h).......................................................................................................21

5.5 – Particules fines mises en suspension par le trafic PL (ePM-PL) ...............................................22

5.6 – Coefficient de sécurité σPL ....................................................................................................22

6 - COMMENTAIRES ET CONCLUSION .....................................................................................23

6.1 - Méthode de calcul .................................................................................................................23

6.2 - Données de base d'émissions...............................................................................................23

6.3 - Apport d'opacité par les particules mises en suspension par le trafic ....................................23

6.4 - Comparaison avec l'évolution des émissions moyennes dans d'autres pays.........................24

BIBLIOGRAPHIE………………………………………………………………………………………..26

4

PREAMBULE Ce document actualise et remplace le document CETU d'octobre 1996 : "Données de base pour le calcul des émissions de polluants des véhicules automobiles en tunnel". Cette évolution est rendue nécessaire par le renouvellement du parc automobile et les effets de la réglementation européenne sur les émissions des nouveaux véhicules. La démarche de calcul demeure semblable et s'appuie sur les mêmes valeurs de base d'émissions unitaires. Certains critères ne sont plus retenus car ils sont devenus trop marginaux en raison du renouvellement du parc.

Les données présentées ont été établies à partir d'une synthèse des informations les plus récentes et jugées les plus fiables et représentatives. Il subsiste encore des domaines peu explorés pour lesquels les données demeurent insuffisantes et méritent d'être précisées. De plus, l'influence des étapes futures de la réglementation sur les émissions ne peut pas être mesurée en raison de leur date d'application.

L'échéance 2020 envisagée ici en conformité avec celle de l'étude du parc automobile français sur laquelle elle s'appuie impose d'établir des scénarii d'évolution du parc et des émissions. Ces scénarii reposent sur des hypothèses qui méritent d'être périodiquement réactualisés.

La démarche suivie dans ce document repose sur de nombreuses hypothèses simplificatrices et ne peut prendre en compte certains paramètres trop précis et difficiles à définir au niveau d'un projet de tunnel routier. Certains critères ont dû être écartés parce que l'on ne dispose pas de suffisamment de données.

Des constatations de niveau de pollution avec des véhicules réels (essais du Fréjus, novembre 2000 et études menées par l'INRETS à la demande du CETU) ont montré que la décroissance des émissions n'était pas toujours aussi rapide que l'évolution des émissions mesurées selon les méthodes réglementaires pouvait le laisser supposer, même pour des véhicules très récents.

De plus, l'objectif de ce document est de fournir des données d'émissions pour le dimensionnement de la ventilation des tunnels routiers. Les véhicules, tels qu'ils se présentent sur la route, ont un certain âge à l'intérieur de l'étape de réglementation à laquelle ils appartiennent et des conditions d'entretien variable.

Il a donc été décidé d'introduire un coefficient de sécurité σ dans les formules de calcul des émissions. Les valeurs recommandées vont certainement évoluer avec la progression des campagnes expérimentales dans les années à venir.

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1 – PRESENTATION L'objectif de ce document est d'actualiser les données de base et les méthodes qui permettent de calculer les émissions de polluants des différents véhicules en tunnel, afin de déterminer les débits de renouvellement en air frais nécessaires à la ventilation de ces ouvrages.

Les polluants concernés demeurent les trois polluants les plus représentatifs de la pollution d'origine automobile : le monoxyde de carbone CO, les oxydes d'azote NOx et les fumées ou particules ; même si l'un d'entre eux, le CO a un rôle de moins en moins déterminant.

La composition du parc automobile français et européen et la réglementation européenne sur les émissions sont en constante évolution. En 1995, il existait encore une proportion importante de véhicules mis en circulation avant 1992 et que l'on a désigné ici par le terme "Pré-EURO". Certains correspondaient à des directives ECE très anciennes et leurs niveaux d'émissions étaient très élevés. La réglementation EURO n'en était alors qu'à sa première étape. Par contre en 2001, on peut prendre en compte les évolutions correspondant aux étapes EURO 1 à EURO 4, même si pour les deux dernières on ne dispose que de valeurs normatives qui devront être confirmées ultérieurement par des mesures.

Les données proposées sont déduites d'études effectuées dans le cadre de différents programmes européens auxquels participent l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, la France, la Grèce, le Royaume-Uni, la Suisse, etc. On peut en particulier citer les résultats de COPERT III (juillet 1999) et ceux du TÜG (Autriche) communiqués dans le cadre du Comité des tunnels routiers de l'AIPCR.

Quant à l'étude de l'évolution du parc automobile français, elle s'appuie essentiellement sur une étude et un rapport très détaillés de l'INRETS de janvier 1998 et sur leur mise à jour.

Le plan du document est le suivant :

- Définition du parc automobile français VL et PL et de son évolution en fonction de la réglementation européenne sur les émissions.

- Les méthodes de calcul des émissions des VL et des PL, qui diffèrent légèrement en raison de la prise en compte de critères particuliers à chaque type.

- Des données chiffrées qui concernent tous les paramètres de base nécessaires aux calculs : données unitaires, pourcentages par classes, coefficients correcteurs.

- Des commentaires en guise de conclusion.

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2- DEFINITION DU PARC AUTOMOBILE La référence de base utilisée pour définir le parc automobile et son évolution est une publication de l'INRETS de janvier 1998 : "Evolution du parc automobile français entre 1970 et 2020". C'est un mémoire de thèse et donc un document très complet qui apporte beaucoup d'éléments nouveaux, prenant en compte les nouvelles étapes de la réglementation européenne sur les émissions des véhicules.

2.1 – Définitions

2.2.1 – Types de véhicules Trois principaux types de véhicules sont à l'origine d'émissions :

- les deux roues, qui ne seront pas pris en considération ici en raison de leur faible proportion dans le trafic ;

- les véhicules particuliers (VP) destinés à transporter des personnes et qui sont essentiellement des voitures de tourisme, classées en plusieurs catégories à partir de leurs caractéristiques techniques ;

- les véhicules utilitaires (VU) qui connaissent une diversité très importante ; depuis les véhicules utilitaires légers (VUL) dont le PTAC n'excède pas 3,5 tonnes jusqu'aux poids lourds (PL) ou véhicules industriels (VI) qui comprennent également les autobus et les autocars.

Dans cette note qui vise à définir les émissions du véhicule moyen, on a préféré distinguer :

- les véhicules légers (VL) de type voitures de tourisme ou assimilées et même les petits fourgons jusqu'à 3,5 t. qui sont généralement équipés de moteurs de voiture de tourisme ;

- les poids lourds (PL) qui regroupent les ensembles routiers, les camions, les cars, les bus et les fourgons supérieurs à 3,5 t.

2.1.2 – Notion de parc statique et parc roulant Le nombre de véhicules immatriculés correspond au parc dit statique. C'est celui qui est le mieux connu car il est possible de l'estimer par différentes sources et d'en dégager les caractéristiques principales.

Dans le but de quantifier les polluants, il convient, quand cela est possible, d'introduire un paramètre de circulation afin d'attribuer à chaque véhicule une importance relative au sein du parc appelé roulant.

La définition de véhicule moyen roulant varie avec l'itinéraire et on verra ultérieurement que cela doit être pris en compte pour les PL.

2.1.3 – Réglementation européenne sur les émissions La réglementation sur les émissions des moteurs élaborée au sein de la Commission Economique pour l'Europe (ECE) est complexe et son évolution en différentes étapes est difficile à traduire en données chiffrées. En effet, la décroissance traduite par les normes d'émissions prend en compte un certain nombre de critères qui ont évolué selon les étapes : polluants concernés, cycles d'essais de référence, classification des véhicules, dates d'application différentes selon qu'il s'agit de nouveaux ou d'anciens types de moteur, suivant la cylindrée, le carburant utilisé, etc.

Pour les VP, la première directive du règlement ECE a été appliquée en 1973 puis modifiée par plusieurs amendements dont le dernier a conduit à la généralisation des pots catalytiques. La distinction entre véhicules à moteur essence ou diesel n'apparaît qu'en 1989.

Pour les PL (VU > 3500 kg), la première directive ECE n'apparaît qu'en 1988 pour les nouveaux types de moteurs et 1990 pour tous les véhicules neufs.

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Faute de pouvoir prendre en compte les détails de l'évolution de la réglementation européenne sur les émissions des véhicules neufs, il a été choisi dans ce document de la schématiser en 5 grandes étapes désignées pour les VL et les PL sous le nom de :

11.. Pré-EURO jusqu'en 1992 Dans cette catégorie, on retrouve les VL dit "conventionnels" ou "non catalysés" mais aussi les "premiers catalysés" dont il n'est pas possible d'apprécier la proportion.

Ces véhicules disparaissent peu à peu mais le pourcentage de VL catalysés du parc français n'est actuellement que de l'ordre de 50 % du parc statique et n'atteindra 90 % qu'en 2010. D'où l'importance de conserver cette catégorie de VL dont les émissions sont les plus élevées, alors que dans certains autres pays, elle a pratiquement disparu.

22.. EURO 1 jusqu'en 1996 L'année 1992 peut être considérée comme le début de la réglementation EURO pour les VL et les PL car à partir de cette date on constate une certaine homogénéité dans la définition des normes (polluants pris en compte, cycles de référence).

33.. EURO 2 jusqu'en 2000 44.. EURO 3 jusqu'en 2005

Etape actuelle

55.. EURO 4 Etape future, mais pour laquelle de nouvelles normes d'émission ont déjà été proposées. Une étape EURO 5 est en projet pour 2008 – 2009.

2.2 – Evolution du parc français de véhicules légers Les caractéristiques du VL moyen, son type de carburant, son âge et son kilométrage varient aussi en fonction de l'itinéraire emprunté. Mais les éléments dont nous disposons et la complexité des calculs que cela entraînerait ne permettent pas d'introduire un paramètre de circulation. Le véhicule léger moyen que nous proposons de prendre en compte est donc directement déduit des données concernant le parc statique.

2.2.1 – Emissions unitaires de polluant

Elles sont données pour le véhicule moyen du parc statique ce qui sous-entend une cylindrée et une puissance moyennes non précisées.

2.2.2 – Véhicule essence et véhicule diesel

L'évolution de la diésélisation des véhicules particuliers a été étudiée en s'appuyant sur le document INRETS de 1998 cité dans la bibliographie et sur des données INRETS de 2002 non publiées.

2.2.3 – Age du VL moyen et répartition selon la réglementation européenne

Les normes d'émissions ainsi que la répartition du parc statique de voitures particulières selon les directives européennes varient différemment pour les VLE ou les VLD et il est donc nécessaire de les considérer séparément.

Les répartitions du parc statique sont illustrées par les figures 1 et 2 complétées par les tableaux de valeurs calculées de 5 ans en 5 ans qui ont permis de les établir.

Remarques : Ces caractéristiques ont été établies pour le parc français de VL et peuvent s'avérer très différentes pour d'autres pays européens, en particulier en ce qui concerne les pourcentages de véhicules catalysés et de véhicules à moteur diesel.

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2.3 – Evolution du parc de poids lourds

Le terme de PL, tel qu'il a été défini précédemment, englobe toute une gamme très diversifiée de véhicules utilitaires allant de 3,5 t à 40 t, qui ont des utilisations et des caractéristiques très différentes. La définition du PL moyen représentatif varie en fonction du type d'itinéraire.

2.3.1 – Caractéristiques poids - puissance du PL moyen par type d'itinéraire

Une étude INRETS-CETU basée sur l'analyse des trafics PL en tunnel sur différents itinéraires avait permis de définir les caractéristiques poids-puissance du PL moyen relatif à chaque type d'itinéraire et de proposer en 1996 de prendre en considération les valeurs suivantes :

Tunnel urbain : PL moyen de 10 t et 150 ch Tunnel interurbain : PL moyen de 20 t et 260 ch Tunnel international : PL moyen de 34 t et 360 ch Il y a vraissemblablement eu depuis cette date des évolutions notables en particulier en ce concerne l'augmentation de la puissance des gros PL ; mais faute de données nouvelles, nous proposons de reconduire ces valeurs et les coefficients qui en sont déduits.

2.3.2 – Age du PL moyen et rattachement à EURO pour le parc roulant global

En ce qui concerne les PL, la prise en considération du parc statique établi sur la base des immatriculations a peu d'intérêt compte tenu de la diminution de l'usage avec l'âge pour tous les poids lourds. Les véhicules de moins de 5 ans sont évidemment les plus utilisés, cet usage diminue régulièrement jusqu'à 15 ans et après ils ne circulent pratiquement plus.

L'étude INRETS distingue 3 types de parc roulant PL : urbain, routier et autoroutier.

Il n'est pas possible de retenir cette analyse détaillée et la figure 3 présente une évolution schématique de la répartition par règlement européen du parc roulant routier de poids lourds. Comme pour les VL, elle a été calculée de 5 ans en 5 ans jusqu'à 2020.

2.3.3 – Age du PL moyen sur itinéraire international

Une étude-enquête effectuée en 2000, sur les PL franchissant le tunnel du Fréjus, a confirmé que sur ce type d'itinéraire international, les PL utilisés étaient des véhicules puissants et très récents, âge moyen compris entre 2 et 4 ans.

La figure 4, qui a été établie à partir de ces résultats, met en évidence la disparition rapide des catégories de PL correspondant aux premières étapes de la réglementation.

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Pré-EURO

EURO 1

EURO 2 EURO 3

EURO 4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Années

% duParc VLE

���EURO 4 0 0 40 70 88

EURO 3 0 38 30 19 8

EURO 2 30 23 16 7 4

EURO 1 20 16 8 4 0���Pré-EURO 50 23 6 0 0

2000 2005 2010 2015 2020

Figure 1 : Répartition du parc statique de VL essence selon les directives européennes

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Pré-EURO

EURO 1EURO 2

EURO 3

EURO 4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Années

% du Parc VLD

���EURO 4 0 0 37 70 88

EURO 3 0 44 32 17 10

EURO 2 38 25 17 9 4

EURO 1 34 19 11 4 0������ Pré-EURO 28 12 3 0 0

2000 2005 2010 2015 2020

Figure 2 : Répartition du parc statique de VL diesel selon les directives européennes

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Pré-EUROEURO 1

EURO 2

EURO 3

EURO 4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Années

% du Parc PL

�����EURO 4 0 0 50 73 96

EURO 3 0 50 24 15 4

EURO 2 33 24 14 8 0

EURO 1 21 14 10 4 0�����Pré-EURO 46 12 2 0 0

2000 2005 2010 2015 2020

Figure 3: Répartition du parc roulant de PL sur un itinéraire routier

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EURO 1

EURO 2

EURO 3EURO 4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Années

% du Parc PL

���������� EURO 4 0 0 75 96 100

EURO 3 0 75 21 4 0

EURO 2 75 21 4 0 0

EURO 1 19 3 0 0 0�����Pré-EURO 6 1 0 0 0

2000 2005 2010 2015 2020

Figure 4: Répartition du parc roulant de PL sur un itinéraire international

11

3 – METHODES DE CALCUL DES EMISSIONS

3.1 – Principe de calcul Pour des conditions de circulation bien définies, vitesse, déclivité et altitude, les émissions unitaires pour les différents polluants ainsi que les coefficients correcteurs à prendre en considération diffèrent en fonction du type de véhicule et de motorisation et de la date de mise en circulation des véhicules. Ces données de base sont présentées dans le chapitre suivant.

Il n'est pas possible de parvenir à une méthode de calcul simplifiée. L'émission du véhicule moyen à une échéance donnée est une moyenne pondérée tenant compte de la composition du parc et des émissions des différentes catégories de véhicules.

Les principes de calcul sont les mêmes pour les VL et les PL, mais les méthodes sont légèrement différentes car dans le cas des VL on doit tenir compte des deux types de moteur essence et diesel, alors que dans le cas des PL c'est le poids moyen du véhicule selon le type d'itinéraire qui intervient.

3.2 – Calcul des émissions des véhicules légers Il subsiste dans le parc VL actuel une proportion de véhicules essence ou diesel antérieurs à la réglementation EURO 1 (50 % de véhicules non catalysés en 2001) qui doit encore être prise en considération pour les échéances les plus proches.

Le principe de calcul de l'émission unitaire du véhicule moyen essence ou diesel peut donc être formulé ainsi :

e.he iii

VLVL i α∑σ=

avec : eVL émission unitaire du VL essence ou diesel moyen à une échéance et pour des conditions données σσσσVL coefficient de sécurité pour le calcul des émissions VL (cf. § 4.6) hi coefficient d'altitude pour les VL essence ou diesel (cf. tableau 5 et § 4.3)

αααα vecteur de répartition du parc VL selon les étapes de la réglementation αααα = (α1 , α2 , α3 , α4)

αααα0 pourcentage de VL pré-EURO ; αααα1 pourcentage de VL EURO 1 ; αααα2 pourcentage de VL EURO 2 ; αααα3 pourcentage de VL EURO 3 ; αααα4 pourcentage de VL EURO 4 ; (cf. figures 1 et 2) e vecteur d'émission unitaire pour les VL essence et diesel

e = (e0, e1, e2, e3, e4) e0 est défini :

• pour les VLE dans les tableaux 1.1 (CO) et 2.1 (NOx) • pour les VLD dans les tableaux 1.3 (CO), 2.3 (NOx) et 3.3 (fumées)

e1 est défini : • pour les VLE dans les tableaux 1.2 (CO) et 2.2 (NOx) • pour les VLD dans les tableaux 1.4 (CO), 2.4 (NOx) et 3.4 (fumées)

e2 = f2 e1 ; e3 = f3 e1 ; e4 = f4 e1 f2, f3 et f4 sont donnés dans le tableau 4

12

La formule générale valable pour les VLE ou les VLD s'écrit alors:

( )[ ]1443322 1oo 0VLVL efffh eh e 1 α+α+α+α+ασ=

Pour le VL moyen (E + D) si l'on désigne par aVLD le pourcentage de diesel exprimé en %

( ) 100e a 100

e a - 100 e VLDVLD

VLEVLDVL +=

Equation 1

Remarques : Indépendamment de leurs émissions, les véhicules sont à l'origine d'un autre type de pollution qui s'ajoute aux fumées et est due aux fines particules (PM) produites par différentes usures et par la remise en suspension par le trafic.

Un document suisse récent recommande de la prendre en compte et propose des valeurs qui dépendent du nombre de VL et de la vitesse de déplacement (tableau 5).

3.3 – Calcul des émissions des poids lourds Le principe de calcul des émissions de PL moyen diffère de celui du VL car les données de base sont plus limitées et ne concernent qu'un seul type de moteur, celui du PL pré-EURO de 10 tonnes. Par contre il faut faire intervenir un coefficient de masse variable suivant la catégorie d'itinéraire.

La formule de base de calcul est la suivante :

ehge iiiPL . .

PLiβσ∑=

avec

ePL émission unitaire du PL moyen à une échéance et pour des conditions données σσσσPL coefficient de sécurité pour le calcul des émissions PL (cf. tableau 13 et § 5.6) g coefficient de masse ou de puissance (cf. tableau 10 et § 5.3) h coefficient d'altitude (cf. tableau 11) ββββ vecteur de répartition du parc PL selon les étapes de la réglementation

ββββ = (β0 , β1 , β2 , β3 , β4) ββββ0 pourcentage de PL pré-EURO ; ββββ1 pourcentage de PL EURO 1 ; ββββ2 pourcentage de PL EURO 2 ; ββββ3 pourcentage de PL EURO 3 ; ββββ4 pourcentage de PL EURO 4 (cf. figures 3 et 4) e vecteur d'émission unitaire pour un PL de 10 tonnes

e = (e0, e1, e2, e3, e4) e0 est défini dans les tableaux 8-1 (CO), 8-2 (NOx) et 8-3 (fumées)

e1 = f1 e0 ; e2 = f2 e0 ; e3 = f3 e0 ; e4 = f4 e0

13

f1; f2 et f3, coefficients d’émission EURO, sont donnés dans le tableau 9 D'où la formule de calcul suivante :

( ) hgef f f f e . . 043210PL0PL 4PL43PL32PL21PL1 βσ+βσ+βσ+βσ+βσ=

Equation 2 Remarques : 1 - Dans la méthode de 1996, on faisait intervenir la distinction entre véhicules atmosphériques et turbo compressés en particulier dans les coefficients de majoration d'altitude avec des pourcentages différents selon la masse donc le type d'itinéraire. L'évolution du parc fait que l'on peut maintenant considérer que tous les véhicules utilitaires sont des diesels suralimentés. 2 - Comme pour les VL, on prendra en compte l'usure et la remise en suspension des fines particules par les PL en fonction de leur nombre et vitesse de déplacement.

14

4 – DONNEES CHIFFREES POUR LES VL

4.1 – Emissions unitaires de base Les émissions unitaires en fonction de la vitesse et de la déclivité sont données dans les tableaux suivants : tableaux 1.1 à 1.4 : émissions de CO des VL (en l/h), tableaux 2.1 à 2.4 : émissions de NOx des VL (en l/h), tableaux 3.3 et 3.4 : émissions de fumées des VL (en m²/h)

1.1

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 90 90 90 90 90 90 905 85 100 120 130 130 140 14510 115 135 155 175 175 190 19520 170 200 230 265 290 305 34530 195 230 270 305 335 380 52540 190 225 260 295 360 470 66550 180 215 250 285 370 540 78060 190 225 260 300 450 750 103070 195 235 270 305 610 1045 136080 205 245 285 320 810 1340 169090 280 330 380 440 1305 2175 2650

100 340 410 580 650 2020 3320 4190

EMISSIONS DE CO (en l/h)DES VL ESSENCE NON CATALYSES ECE 15-04

Tableau 1.1

1.2

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 17 17 17 17 17 17 175 29 43 57 57 62 63 7010 25 37 48 49 57 59 7020 23 34 44 44 53 64 8630 24 31 46 46 55 75 10940 25 36 48 48 57 92 13850 26 38 49 49 60 109 17560 27 39 50 50 77 150 24070 28 40 53 53 106 212 31880 29 42 55 55 150 265 42690 31 45 59 59 200 351 600

100 37 54 71 71 257 505 808

EMISSIONS DE CO (en l/h) DES VL ESSENCE CATALYSES

Tableau 1.2

1.3

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 6 6 6 6 6 6 65 14 14 14 14 14 14 2010 20 20 20 20 20 22 2820 33 33 33 33 33 37 5330 44 44 44 44 44 52 7040 45 45 45 45 45 55 7250 45 45 45 45 45 58 7260 45 45 45 45 50 60 7270 45 45 45 45 54 62 7280 45 45 45 45 58 64 7290 48 48 48 48 60 71 76

100 60 60 60 60 71 88 95

EMISSION DE CO (en l/h) DES VL DIESEL ECE 15-04

Tableau 1.3

15

1.4

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 2 2 2 2 2 2 25 6 6 6 6 6 6 810 8 8 8 8 8 9 1020 12 12 12 12 12 13 1830 15 15 15 15 15 17 2440 15 15 15 15 15 17 2450 15 15 15 15 15 17 2460 15 15 15 15 17 19 2470 15 15 15 15 18 20 2480 15 15 15 15 19 21 2490 16 16 16 16 21 24 26

100 17 17 17 17 22 26 28

EMISSIONS DE CO (en l/h)DES VL DIESEL EURO

Tableau 1.4

2.1

V -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,55 0,5 1 1,8 2,6 3,2 3,2 410 1,3 2,5 4,3 6,4 8,5 8,5 1220 2,7 5,3 9,2 14 21 25 3430 4 7,8 14 20 30 36 5040 6 12 20 30 45 53 7450 7 14 23 35 53 63 8760 10 19 32 48 70 83 11470 12 24 41 61 81 98 13080 16 31 53 80 98 115 15090 22 42 72 108 124 142 185

100 28 54 93 130 153 170 210

EMISSION DE NOX (en l/h) DES VL ESSENCE NON CATALYSES ECE 15-04

Tableau 2.1

2.2

V -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,55 0,1 0,3 0,5 0,6 0,6 0,8 210 0,3 0,6 1 1,3 1,3 1,8 520 0,5 1,2 2 2,6 2,6 4,2 7,530 0,8 2 3,2 4,3 4,3 7,2 1240 1,1 2,6 4,1 5,5 5,5 9,6 1550 1,2 2,9 4,6 6,2 6,2 12 1760 1,4 3,4 5,4 7,2 8,1 14 1970 1,6 3,9 6,1 8,3 12 17 2280 2 4,8 7,5 10 15 20 2790 2,6 6,1 9,8 13 20 26 36

100 3,9 8,2 14 20 28 39 48

EMISSIONS DE NOX (en l/h)DES VL ESSENCE CATALYSES

Tableau 2.2

16

2.3

V -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,75 1,8 2,2 2,5 3,1 3,4 3,7 4,910 3,3 4 4,5 5,7 6,4 6,8 9,820 4,3 7,5 8,6 11 12 16 2330 5,8 12 13 16 19 30 3940 5,4 12 14 17 21 31 4050 5,5 13 16 20 25 36 4760 5,9 12 19 23 30 42 5570 6,6 11 18 26 34 48 6280 7,2 12 21 30 40 55 7290 9,6 15 27 38 51 69 90

100 12 19 32 47 64 84 109

EMISSIONS DE NOX (en l/h)DES VL DIESEL ECE 15-04

Tableau 2.3

2.4

V -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,35 1,6 1,9 2,2 2,8 3 3,2 3,810 2,5 3 3,5 4,3 4,9 5,3 7,520 3 5,3 6,1 7,5 8,7 11 2030 3,7 7,4 8,4 10 13 18 2540 3,5 7,8 8,8 11 14 20 2650 3,3 7,8 9,7 12 15 22 2860 3,3 6,5 10 13 16 23 3170 3,6 5,8 10 14 19 26 3480 4,3 7 12 17 23 31 4090 5,6 9 16 23 30 40 53

100 6,8 11 19 27 37 49 64

EMISSIONS DE NOX (enl/h)DES VL DIESEL EURO

Tableau 2.4

3.3

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%EN Km/h

0 1 1 1 1 1 1 15 18 18 18 18 19 21 2310 19 20 20 21 23 26 3120 20 21 23 25 30 36 5230 23 25 26 29 37 50 7140 31 33 35 39 50 70 10250 34 36 38 43 57 80 11960 30 36 38 43 58 83 12570 30 36 38 42 58 84 12880 29 35 37 41 57 83 12990 32 38 41 45 63 94 145100 47 57 60 67 94 140 217

EMISSIONS DE FUMEES (en m²/h) DES VL DIESEL ECE 15-04

Tableau 3.3

17

3.4

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,35 5 5 5 5 5 5 5,510 5 5 5 5,5 5,5 6,5 820 5,5 6 6,5 7 8,5 11 1430 8 8,5 9 10 12 14 2540 9,5 10 11 12 16 22 3150 13 14 15 17 24 32 4760 14 17 18 20 27 39 5970 13 15 16 18 25 36 5580 10 12 13 14 22 29 4490 12 14 15 17 23 35 54

100 19 23 24 27 38 56 87

EMISSIONS DE FUMEES (en m²/h)DES VL DIESEL EURO

Tableau 3.4

Remarques : 1- Les émissions de CO et de NOx (exprimées en équivalent NO2) ont été traduites, en volume, à partir des

résultats expérimentaux exprimés en poids, en tenant compte des coefficients suivants :

CO = 1 ppm = 1,15 mg/m3 ! 1 g/h = 0,87 l/h NO2 = 1 ppm = 1,88 mg/m3 ! 1 g/h = 0,53 l/h

2- Pour déterminer la teneur en NO2 on doit multiplier l'émission volumique en NOx par le ratio NO2/NOx = 0,1 (résultat déduit des ordres de grandeur de ce ratio mesurés en tunnel).

3- Les émissions de fumées ont été déduites des quantifications gravimétriques (teneur en particules) en

utilisant une relation empirique avec le coefficient d'extinction correspondant :

Fumées : 1 g/h = 4,7 m²/h On rappelle que l’unité utilisée pour le coefficient d’extinction K est issue de la loi de Lambert pour l’absorption relative d’un flux lumineux Φ traversant une épaisseur élémentaire d’air dl :

dlKd ⋅−=ΦΦ

Comme K s’exprime en m-1, le débit de fumée s’exprime en m3/h.m-1, c’est à dire en m2/h.

18

4.2 – Coefficients d'émission EURO f2, f3 et f4 Les valeurs de base d'émission à 60 km/h selon les différentes catégories EURO pour les VL essence et diesel ont été calculées en tenant compte des effets prévisibles de la réglementation déduits d'études européennes. Elles permettent d'en déduire les coefficients de décroissance des émissions VL selon la réglementation européenne.

EURO 1 EURO 2 (f2) EURO 3 (f3) EURO 4 (f4)

CO VLE VLD

1 1

0,8 1

0,8 0,8

0,4 0,65

NOx VLE VLD

1 1

0,7 1

0,55 0,8

0,35 0,4

Fumées VLD 1 1 0,6 0,3

Tableau 4 Coefficients de décroissance des émissions des VL selon la réglementation européenne

4.3 – Coefficient d'altitude pour les VL (hiE et hiD)

0 700 m 1000 m 2000 m

CO VLE pré-EURO (h0E) VLE EURO (h1E à h4E) VLD (h0D à h4D)

1 1 1

1,55 1

1,15

1,78 2,6

1,20

2,48 11,4 1,50

NOx VLE pré-EURO (h0E) VLE EURO (h1E à h4E) VLD (h0D à h4D)

1 1 1

0,8 1 1

0,74 1 1

0,54 1 1

Fumées VLD (h0D à h4D) 1 1 1 1,25

Tableau 5 Facteurs d'altitude pour les VL

4.4 – Taux de diésélisation du parc VL (a VLD) Pour le parc statique, l'étude INRETS de 1998 proposait trois scénarios d'évolution du taux de diésélisation. Les deux scénarios extrêmes sont résumés dans le tableau 6, sous les noms "scénario haut 1998" et "scénario bas 1998".

Depuis 1998, avec l'apparition de moteurs diesel encore plus performants, il semble que l'on puisse revoir à la hausse les prévisions du taux de diésélisation. Selon le comité des constructeurs français d'automobiles (CCFA, cf. www.ccfa.fr), 61 % des véhicules neufs immatriculés en janvier 2002 étaient des diesels. L'INRETS a donc révisé ses chiffres de 1998, et propose dans un document non encore publié un scénario haut présenté dans le tableau 6 sous la rubrique "parc statique - scénario haut 2002". De plus, en se basant sur ce scénario et sur les kilométrages réels parcours par an selon le type de véhicule, on trouve le scénario de parc roulant indiqué sur le même tableau 6, qui fait apparaître des valeurs nettement plus élevées.

19

% VLD 2000 2005 2010 2015 2020

Parc statique Parc statique Parc statique

Scénario haut 1998 Scénario bas 1998 Scénario haut 2002

32 32 37

37 33 42

40 32 45

42,5 30 48

45 28 50

Parc roulant Scénario haut 2002 53 57 59 61 63

Tableau 6 Evolution du taux de diésélisation du parc statique VL (scénarios INRETS)

Pour tout projet de tunnel où le trafic poids lourd est faible, il faut utiliser les chiffres du parc roulant ci-dessus au moins à titre de vérification. Il est à noter cependant que ce taux très élevé de véhicules diesels est spécifique à la France.

4.5 – Particules fines mises en suspension par le trafic (ePM-VL) Comme elles contribuent à l'opacité, elles sont exprimées en m²/h par VL en fonction de la vitesse.

V (en km/h) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ePM-VL (en m²/h, véh.)

0,5 0,5 0,52 0,56 0,64 0,75 1,0 1,3 1,6 2,0 2,4 2,8

Tableau 7

Apport d'opacité des particules mises en suspension par les VL L'émission ePM-VL est à ajouter à l'émission d'opacité calculée par l'équation 1. Elle a d'autant plus d'importance relative que la diésélisation du parc est faible.

4.6 – Coefficient de sécurité σσσσVL On recommande de prendre σVL = 1. Il se peut que cette valeur soit relevée si des campagnes expérimentales montrent que c'est nécessaire.

20

5 – DONNEES CHIFFREES POUR LES PL

5.1 – Emissions unitaires de base (mêmes remarques que pour les émissions des VL concernant les conversions)

8.1

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 42 42 42 42 42 42 425 55 74 91 110 112 117 12410 60 80 100 120 126 137 15020 70 92 114 138 154 177 20430 80 105 131 158 183 218 26140 88 119 147 177 215 264 32250 96 128 158 191 225 310 38360 106 142 176 212 281 361 45070 117 158 195 235 320 41880 128 172 213 257 364 478

EMISSIONS DE CO ( en l/h)D'UN PL DE 10T " Pré-EURO "

8.2

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 56 56 56 56 56 56 565 43 58 71 86 92 102 11410 53 70 87 105 118 138 16420 70 94 116 140 170 213 26630 89 119 148 178 226 292 37240 106 143 178 213 285 379 48750 120 161 199 240 341 464 60160 140 188 232 280 410 561 72870 161 216 267 322 483 66680 182 243 301 363 565 781

EMISSIONS DE NOX ( en l/h)D'UN PL DE 10T " Pré-EURO "

8.3

v -6% -4% -2% 0 2% 4% 6%en Km/h

0 32 32 32 32 32 32 325 44 60 74 89 91 94 9910 48 63 79 95 100 107 11620 54 72 90 108 118 133 15230 60 81 100 121 138 161 18940 66 89 110 133 158 191 22950 71 96 119 143 178 221 26960 78 105 130 156 202 255 31470 86 115 142 171 228 29280 93 125 154 186 257 333

EMISSIONS DE FUMEES (en m²/h)D'UN PL DE 10T " Pré-EURO "

Tableau 8 Emissions de CO, NOx et fumées d'un PL de 10 t, Pré EURO

21

5.2 – Coefficients d'émissions EURO f1, f2, f3 et f4 En 1996, les données existantes avaient conduit à se limiter à l'étape EURO 2. Maintenant certaines études proposent des facteurs d'évolution des émissions qui s'appuient sur des mesures d'émissions réelles mais elles ont été calculées pour les étapes EURO 3 et EURO 4.

On a retenu ici les coefficients déduits de l'étude COPERT III. La valeur de base est celle concernant un PL Pré-EURO.

Pré-Euro EURO 1 (f1) EURO 2 (f2) EURO 3 (f3) EURO 4 (f4)

CO 1 0,65 0,65 0,45 0,23

NOx 1 0,55 0,45 0,31 0,22

Fumées 1 0,65 0,25 0,18 0,03

Tableau 9 Coefficients de décroissance des émissions des PL selon la réglementation européenne

5.3 – Influence du poids et de la puissance des PL (g) L'émission de base est donnée pour un PL de 10 t et on applique un coefficient pour tenir compte de la masse et indirectement de la puissance du véhicule, qui est indépendant du polluant concerné, CO, NOx ou fumées. Certaines directives proposent de faire évoluer légèrement ce coefficient en fonction de la vitesse mais cela semble trop précis. On retiendra donc les valeurs suivantes :

PTR 10 t 20 t 30 t 40 t

Puissance 150 ch 260 ch 340 ch 420 ch

g 1 1,6 2 2,2

Tableau 10 Facteur de masse des PL (fm)

5.4 – Influence de l'altitude (h)

A l'origine, on faisait la distinction entre les PL dits atmosphériques et les PL suralimentés. La proportion de PL suralimentés étaient beaucoup plus élevée pour les plus gros porteurs et donc sur les grands itinéraires.

On peut considérer que maintenant pratiquement tous les PL sont turbo-compressés. L'influence de l'altitude est donc très minimisée et on se limitera à prendre un coefficient de 10 % pour une élévation d'altitude de 1000 m.

Altitude 0 1000 m 2000 m

h 1 1,1 1,2

Tableau 11 Facteur d'altitude pour les PL

22

5.5 – Particules fines mises en suspension par le trafic PL (ePM-PL)

exprimées en m²/h par véh. en fonction de la vitesse

V (en km/h) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80

ePM-PL (en m²/h véh.)

5,0 5,0 5,2 5,6 6,4 7,5 10 13 16 20

Tableau 12

Apport d'opacité des particules mises en suspension par les PL L'émission ePM-VL est à ajouter à l'émission d'opacité calculée par l'équation Z.

5.6 – Coefficient de sécurité σσσσPL Les types pré-Euro et Euro 1 sont déjà en circulation depuis longtemps et largement testés, bien qu’ayant montré une certaine sous évaluation pour le NO2 et les fumées, alors que les types Euro 2 et Euro 3 sont en circulation, mais n'ont pas encore été testés de façon suffisamment détaillée. Le type Euro 4 n'est pas encore en circulation. Les recommandations du CETU pour le coefficient de sécurité σPL sont donc :

CO NO2 fumées σPL0 1 1 1 σPL1 1 1 1 σPL2 1 1,2 1,4 σPL3 1,2 1,4 1,4 σPL4 1,4 1,5 1,5

Ces valeurs élevées sont justifiées par des campagnes de mesure récentes sur banc et en tunnel.

23

6 – COMMENTAIRES ET CONCLUSION

6.1 - Méthode de calcul

Pour rester assez générale et ne faire intervenir que des données qui peuvent être définies au niveau du projet de tunnel routier, la méthode de calcul doit admettre un certain nombre de simplifications et de pondérations.

Ainsi la prise en considération de l'âge des véhicules qui est un paramètre important de calcul des émissions a demandé une schématisation des différentes étapes de la réglementation EURO.

Pour le calcul des émissions des VL, on se réfère à un véhicule léger moyen défini à partir de données concernant le parc statique français, ce qui conduit à ignorer un certain nombre de paramètres qui varient avec l'itinéraire sur lequel est situé le tunnel : paramètre de circulation, proportion réelle des VL diesel, cylindrée, puissance, âge .

Pour le calcul des émissions des PL, en raison de leur grande diversité, on ne peut se contenter de définir un véhicule moyen et la notion de parc statique a peu de signification. On a donc cherché à définir les caractéristiques du véhicule moyen en fonction du type d'itinéraire. Mais les distinctions d'itinéraires urbain, routier et autoroutier utilisés pour définir le parc roulant n'ont pas semblé non plus bien adaptées et on leur a préféré les distinctions de urbain, interurbain et international qui permettent mieux de caractériser la masse ou la puissance et l'âge du véhicule moyen. En effet, des études ont montré que sur de grands itinéraires internationaux la flotte des PL avait des caractéristiques particulières : puissance élevée et moyenne d'âge beaucoup plus faible que celle du parc roulant global.

Dans les deux cas, un coefficient de sécurité pour le calcul des émissions a été introduit, comme expliqué dans le préambule.

6.2 - Données de base d'émissions

Dans l'état actuel des connaissances, il subsiste des domaines pour lesquels les données chiffrées sont insuffisamment validées. Par exemple les émissions des PL des différentes catégories EURO sont toutes déduites de résultats mesurés sur des véhicules pré-EURO de 10 tonnes en appliquant des coefficients correcteurs, constants pour chaque type de polluant. Des résultats récents mais trop partiels pour être généralisés, ont montré que la réalité était plus nuancée.

D'autre part, l'étape EURO 3 n'en est qu'à ses débuts et il est trop tôt pour posséder des résultats de mesures représentatifs. Quant à l'étape EURO 4 prévue pour 2005, il est aussi nécessaire de la prendre en compte pour les échéances ultérieures ; en 2020 elle représentera plus de 90 % du parc roulant. Pour ces deux étapes on doit donc chiffrer les effets prévisibles de la limitation des émissions.

6.3 - Apport d'opacité par les particules mises en suspension par le trafic

En s'inspirant du projet de directive suisse et en empruntant ses données chiffrées, il est proposé de prendre en considération l'apport supplémentaire de "matière opacifiante" due à la mise en suspension par le trafic, de particules autres que celles dues aux émissions.

Le CETU ne dispose pas de données sur ce sujet, mais il semble judicieux d'introduire cette source de pollution dont le rôle peut devenir de plus en plus important en fonction de la décroissance des émissions de fumées, en particulier pour les tunnels où le trafic diesel est faible.

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6.4 - Comparaison avec l'évolution des émissions moyennes dans d'autres pays Les valeurs d'émissions du véhicule moyen calculées dans d'autres pays sont parfois sensiblement différentes de celles présentées ici pour le parc français alors qu'elles reposent sur les mêmes facteurs d'émissions unitaires. Cela dépend des caractéristiques du véhicule moyen relatives à chaque pays. Ainsi la réglementation sur les émissions a pu intervenir de manière plus précoce et mieux contrôlée accélérant la généralisation des pots catalytiques. La dieselisation du parc est aussi un facteur très variable.

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BIBLIOGRAPHIE 1 - "Données de base pour le calcul des émissions de polluants des véhicules automobiles en tunnel" Document technique CETU - octobre 1996 2 - "Road tunnels : Emissions, ventilation, environnement" Rapport intercongrès du groupe de travail pollution-ventilation des Comité des tunnels routiers

Association mondiale de la route - AIPCR - septembre 1995 3 - "Emissions of several hundred vehicles from the western european car park" Base de données du TÜG (Autriche) - 1995 et 1999 4 - "Evaluation rapide des émissions de polluants de véhicules lourds EURO 1 et EURO 2" Plusieurs rapports INRETS - convention CETU - 1997 à 2000 5 - "Evolution du parc automobile français entre 1970 et 2020" Rapport INRETS - LEN - janvier 1998 6 - "COPERT III (Computer Programme to calculate Emissions from Road Tranport) - Methodology and Emissions factors" Rapport de l'European Environment Agency - July 1999 7 - "Choix du système, dimensionnement et exploitation d'installations de ventilation de tunnels" Projet de directive de l'office fédéral des routes suisse - décembre 2000