Modélisation et évaluation pour la planification urbaine 1-5 septembre 2014, Paris - Marne-la-Vallée
Émissions de polluants des trafics et évaluation 1.
Pollution de l’air due aux transports
2.
Maîtrise de la pollution de l'air 1.
Approches technologiques / véhicules
3.
Métrologie, outils de calcul des émissions
4.
Évaluation de la pollution de l’air des transports - Exemple du PDU de Nantes
Michel ANDRÉ Directeur de recherche Laboratoire Transports et Environnement - IFSTTAR
[email protected] 01/10/14 1
Pollution de l’air liée aux transports - contexte
25 à 35% des émissions de gaz à effet de serre responsables des changements climatiques et forte dépendance des énergies fossiles 60-70% des émissions d’oxydes d’azote NOx en agglomération, et 30-40% des particules fines, - principaux enjeux sanitaires actuels Ø Ø
affections respiratoires, cardio-vasculaires, cancers, asthme, bronchites, naissances prématurées - environ 6000 décès prématurés en France en 2010 20% d’autres composés dont certains cancérogènes (HAP, benzène, etc.)
Croissance / extension de certaines pollutions avec l’augmentation de la mobilité, malgré les améliorations technologiques Problématiques Ø Ø
Connaissance : Quantifier, caractériser la contribution des transports aux pollutions de l’air Maîtrise de la pollution : Nombreux moyens qu’il s’agit d’évaluer et mettre en œuvre – politiques de transports, politiques environnementales, technologies / carburants innovants, mesures de gestion du trafic, etc.
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Modélisation et évaluation pour la planification urbaine 1-5 septembre 2014, Paris - Marne-la-Vallée
Émissions de polluants des trafics et évaluation
1- Pollution de l’air due aux transports
Émissions Polluants Contributions Note: les diapos barrées ne seront généralement pas visualisées. Elles présentent des illustrations / éléments complémentaires auxquels on pourra se référer
Michel ANDRÉ Directeur de recherche Laboratoire Transports et Environnement - IFSTTAR
[email protected] 01/10/14 3
1- Pollution de l’air due aux transports - en résumé
Émissions à l’échappement mais aussi par évaporation, usure/abrasion, remise en suspension de particules Polluants : primaires, ou secondaires après transformations dans l’atmosphère Nombreuses substances polluantes et gaz à effet de serre Ø Ø
Différentes « pollutions », impacts et échelles: impacts sanitaires, faune/flore, pollution photochimique, pollutions globales La contribution des transports est significative pour certaines Ø Ø Ø Ø
Sous forme particulaire ou gazeuse, CO, NOx, COV, HAP, métaux… (cf. détails) Quelques-unes sont règlementées (dans l’air, ou à l’émission)
20 à 60% de l’ensemble des émissions de tous les secteurs Contribution en croissance (gaz à effet de serre) Contribution plus forte en milieu urbain (30% des NOx, à 70% des PM10) Quantités d’émissions généralement en baisse
Malgré la baisse des émissions, certaines pollutions augmentent ou sont en extension géographique (PM10, NO2, O3)
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1- Pollution de l’air due aux transports Les « émissions » de polluants des transports
À l’échappement Ø Ø Ø
Par évaporation de carburant Ø
Par la combustion : Imbrulés (CO, HC), oxydation (NOx..), formation de particule, affecté de phénomènes de sur-émissions (froid, climatisation, etc.) Mécanismes de post-combustion (catalyseur, régénération filtre à particules, réduction NOx) En route et à l’arrêt
Par usure (freins, embrayage, pièces mécaniques, pneumatiques, etc.) Par abrasion (route, infrastructure) Par remise en suspension de particules Par fuites (fluide frigorigène, huile, délestage, « vidanges », etc.) Par les matériaux (plastiques intérieurs) Par les chantiers, à la construction et lors de l’entretien des infrastructures …
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1- Pollution de l’air due aux transports
Les polluants des transports
Primaires (à l’émission) Secondaires: après transformations (physico-chimiques)
Réglementés, contrôlés
Ø
Dans l’atmosphère (non spécifique transports) – SO2, CO, NO2, Ozone O3, Particules PM10, Benzène C6H6, Plomb Pb – Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP): 6 composés – Cadmium Cd, Arsenic As, Nickel Ni, Mercure Hg, PM2,5
Ø
À l’émission des moteurs / véhicules – CO, HC totaux, Oxydes d’azote NOx, Particules (masse totale) – SO2 (maritime)
Non réglementés Ø
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Tous les autres ! Dont le CO2 principal gaz à effet de serre
1- Pollution de l’air due aux transports
Les polluants des transports (synthèse)
Les oxydes de carbone CO (toxique), CO2 (gaz à effet de serre) Les composés soufrés SO2, SO3 (toxiques et pluies acides), et H2S Les oxydes d’azote NO, NO2 (toxiques, ozone, végétation), N2O (GES et couche ozone) Les composés de l’azote NH3 (toxique) L’ozone O3 (poll. secondaire, toxique / protection solaire) via NOx, CO, COV Les composés organiques volatils (COV) composés volatils Ø
Les HAP (hydrocarbures CmHn aromatiques polycycliques) semi-volatiles Ø
gaz ou adsorbés sur particules, composés de plusieurs cycles benzèniques, toxiques ou cancer
Les particules ou aérosols Ø Ø
combinant C et hydrogène, halogènes, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, précurseurs de l’ozone troposphérique et toxiques pour certains
solides et liquides atomisés, primaires, remises en suspension ou secondaires, éléments minéraux, noyaux carbonés et phase organique de composés imbrulés (HAP, dérivés oxygénés, etc.), ions sulfates SO4- et nitrates NO3-, ions métalliques, etc
Les métaux lourds (particulaires) Ø
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Pb, Zn, Cd , Pt, Ni, Cu, Cr, Al, Fe, Mo, Ba, Co, Se, Ar, Va, Ti
1- Transports : des contributions significatives Contributions annuelles cumulées des transports - 2007, UE 27 y compris altitude (transports ariens) et international (aériens, maritimes) En 103 tonnes * CO
10800
En % de tous les Principaux contributeurs des transports secteurs 39
Voitures (26%), 2Roues (4%), Poids-Lourds (3%), Petits Véh. Utilitaires (2%), Nav. Intérieure (2%)
NOx
7460*
56
PL (19%),Voitures (16%),PVU (5%), Nav. Intérieure (4%), Rail(1%) + aérien en altitude et maritime international (10%)
COVNM
1800
20
Voitures (8%), 2R (3%),PL(2%), Evaporation(2%)
SO2
1715*
19
Navigation Intér. (2%) + internationale (17%)
PM10
477*
23
VP(5%), Pneus-freins(3%), PL(3%),PVU(2%), Abrasion Route(2%)
PM2,5
413*
29
VP(6%),PL(5%),PVU(3%), Pneus,freins(3%), Nav.Intérieure(2%) Abrasion Route(2%) + * (8%)
69
2,0
VP(2%)
NH3
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8
* Attention: les statistiques n’incluent généralement pas altitude et international Source: Agence Européenne de l’environnement, EEA Technical Report 8/2009
1- Autres contributions principales des transports (basé sur données France métropolitaine en 2008) Contribution 103 tonnes
en % tous secteurs
Principaux contributeurs (en % du total tous secteurs)
CO2*
126x103
34
Transport routier (32%, PL, VP), Aérien domestique (2%)
HFC
4450
31
Transport routier (24%, VP climatisés), Aérien domestique (7%), croissance très forte (y compris ferroviaire)
PRG (pouvoir réchauft global)
131x103 eq. CO2
27
Transport routier (25%), Autres transports (2%)
Cu
144 tonnes
87
Routier (53%), ferroviaire (34%)
9,5x103 t
20
Transport routier (14%, VP Essence et Diesel), Maritime (4%)
4,5 t
21
Transport routier (20%, Diesel)
7,4 kg
58
Transport routier (57%, Diesel, PL, VP) Source CITEPA
Benzène HAP Hexachlorobenzène HCB
(* en % par rapport à la somme hors UTCF, utilisation de terres, leur changement et la forêt) 01/10/14
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1 - Evolution des émissions de polluants
Transports et climat : une responsabilité croissante 1990=1 1,30
Greenhouse Gas Emissions (GHG)* by Sector, EU-27
1,20 1,10 1,00 0,90 0,80
01/10/14
10
Energy Industries Households Total
Industry Services, etc.
Transport Other ***
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
0,70
1 – Evolution des émissions de polluants
Autres polluants: des contributions qui restent significatives
Contributions cumulées des transports routiers et non routiers, Europe 28 (international exclu)
01/10/14
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1- Contribution des transports une responsabilité accrue en agglomération Pollution par NO2 et particules sur le territoire du Grand Lyon
NOx Transports 66%
PM10 Transports 34%
Transports
Camions Voitures
Bus/Cars Utilitaires légers
2Roues
NOx
66%
43
35
7
15
0
PM10
34%
20
51
6
22
1
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12
Source © ATMO-Rhône-Alpes – Version 2011-1
1- Evolution : des quantités d’émissions en baisse
(transports routiers, France)
(Source Citépa)
Transports non routiers: plutôt stables, avec des niveaux 7 à 10 fois inférieurs
01/10/14
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4 - Evolution des émissions de polluants
(transports non routiers, France)
Transports non routiers: plutôt stables, avec des niveaux 7 à 10 fois inférieurs aux transports routiers
(Source Citépa)
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1 – Évolution de la qualité de l’air –
décroissance des concentrations de CO, sites trafic
01/10/14
Concentrations de CO en baisse depuis 1973 aucun dépassement de la valeur limite (10 mg/m3 sur 8h) en 2006 15
1 - Évolution : stagnation de la pollution particulaire
- PM10 (dont sites en proximité de trafic, France)
Principale préoccupation: Particules PM10 et PM2,5 (2,5µm) - Légère augmentation PM10: Industrie (36%), Chauffage (21%), Agriculture (29%)
PM2,5: chauffage bois (34%), véhicules Diesel (14%), 01/10/14
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et transformation de SOx, NOx, COV dans l’atmosphère
1 – Évolution: stagnation de la pollution NO2 –
NO2 (dont sites en proximité de trafic, France)
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NOx: Transport (47%), industrie (24%) - NO2 traceur du trafic routier Valeur limite (moy. annuelle 48µg/m3 - 40µg/m3 en 2010) 17 fréquemment dépassée sur les sites trafic
1 - Évolution : extension de la pollution photochimique –
Ozone (O3)
Pics saisonniers (records en 2003) - Niveau de fond en hausse malgré la baisse des émissions des précurseurs (conditions climatiques ?) 01/10/14
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1- Pollution de l’air due aux transports –
Conclusions - enjeux
Les transports en forte croissance : modes routiers, aériens Ø
Différents mécanismes et polluants émis par les transports Des contributions significatives des transports Ø Ø
Croissance moindre en zone urbaine
CO2 (et GES), CO, NOx, COVNM, Particules fines, Cuivre, HAP, HFC Des contributions en régression : CO, HC (catalyseur essence, diesels), NOx (essence), SO2, Plomb (carburants), particules (filtres à particules)
Des pollutions (liées au trafic) persistantes : NO2, Particules fines Des pollutions croissantes ou en extension géographique : Ø Ø
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Effet de serre (CO2: croissance quasi-linéaire avec l’augmentation du trafic, non compensée par l’amélioration technologique) Ozone / pollution photochimique troposphérique
Modélisation et évaluation pour la planification urbaine 1-5 septembre 2014, Paris - Marne-la-Vallée
Émissions de polluants des trafics et évaluation
2- Maîtrise de la pollution de l’air due aux transports
Typologie d’approches Approches technologies – – – –
Motorisation Dépollution Technologies alternatives Carburants
Michel ANDRÉ Directeur de recherche Laboratoire Transports et Environnement - IFSTTAR
[email protected] 01/10/14 20
2. Maîtrise, gestion de la pollution de l'air des transports Typologie d’actions Amélioration des véhicules et carburants, de l’interaction véhicule / infrastructure, maintenance, retrofit, etc.
Émission (g/ km) des véhicules neufs / anciens
Amélioration des « comportements de conduite » • Éco-conduite, sensibilisation
Conditions de circulation, émission en circulation
Gestion du trafic • Feux, contrôle d’accès, régulation des vitesses, etc.
Conditions de circulation, émission du trafic
Organisation et gestion de l’ « offre » de transport • Offre / restriction infrastructures, organisation du réseau, parkings, répartition modale (TC, modes doux, etc.)
Répartition du trafic et des émissions entre les modes + exposition
Organisation et gestion de la « demande » de transport • Planification, organisation des transports (PDU, PDE, logistique), et des territoires (urbanisme), proximités et besoins en mobilités
Quantités de déplacements et d’émission + exposition
« Remédiation » • Écrans, matériaux absorbants, filtres dans les tunnels
En 21 fait, fortes interactions et dépendances entre les différents niveaux
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2. Maîtrise, gestion de la pollution de l'air des transports Typologie d’actions et potentiel Amélioration des véhicules et carburants, de l’interaction véhicule / infrastructure, maintenance, retrofit, etc.
Fort potentiel, mais s’épuise ? renouvellement (lent ?) du parc
Amélioration des « comportements de conduite » • Éco-conduite, sensibilisation
Potentiel limité, long terme
Gestion du trafic • Feux, contrôle d’accès, régulation des vitesses, etc.
Potentiel très limité (faible marge de manœuvre sur vitesses)
Organisation et gestion de l’ « offre » de transport • Offre / restriction infrastructures, organisation du réseau, parkings, répartition modale (TC, modes doux, etc.)
Potentiel limité par les « équilibres » et marges d’évolution
Organisation et gestion de la « demande » de transport • Planification, organisation des transports (PDU, PDE, logistique), et des territoires (urbanisme), proximités et besoins en mobilités
Gains proportionnels aux quantités de déplacements, long terme
« Remédiation » • Écrans, matériaux absorbants, filtres dans les tunnels
Potentiel très faible
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2- Un moteur de l’évolution technologique : la réglementation des émissions de polluants
Véhicules neufs, conformité de production, dégradation, Émissions à l’échappement, par évaporation, fuites Voitures particulières depuis 1971 Ø Ø
Véhicules utilitaires (1988) Ø Ø
CO, HC, NOx, sur banc moteur (g/kW.h)
Le contrôle technique Ø Ø
sur banc véhicule CO, NOx, HC+NOx, PM
Amélioration de l’état du parc et rajeunissement Amélioration de l’entretien des véhicules (comportements)
Plafond d’émission de CO2 des véhicules neufs (depuis 2012)
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Évolution des normes d’émissions des VP
2- Approches technologiques
motorisations
Amélioration de la combustion Ø Ø Ø Ø
Moteurs HDI (haute pression, common rail, injection directe électronique) Véhicules essence : injection électronique, injection directe Soupapes variables À venir :
– Moteurs HCCI (mélange homogène Diesel), moindre formation de NOx et Particules – Moteurs CAI (controlled auto ignition essence)
Ø
Turbo-suralimentation pour essence et diesel Ø Ø
Optimisation de l’aérodynamique et de la forme de la chambre de combustion
non pour augmenter la puissance, mais pour diminuer la cylindrée et donc la consommation (down-sizing) Amélioration du système de suralimentation ( turbo fixe avec Waste Gate pilotée – turbo à géométrie variable - … )
Recyclage gaz d’échappement (EGR) Ø
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diminue les NOx mais peut augmenter les PM
2- Approches technologiques - dépollution
Catalyseurs
Catalyseur 3-voies (Essence) Ø Ø Ø
capteur d’oxygène (sonde λ) + monolithe céramique sur les moteurs à essence à injection électronique (non en mélange pauvre) Oxydation CO et HC, sur palladium, platine; – CO + ½ O2 è CO2 CxHy + z O2 è x CO2 + y/2 H2O – Effet inhibiteur du NO sur CO et HC, CO sur HC
Ø
Réduction oxydes d’azote NO sur rhodium – NO è ½ N2 + ½ O2
Ø Ø
Fonctionnement optimal sur plage étroite (combustion stochiométrique) Sensibilité aux conditions de fonctionnement et température
Catalyseur Diesel: oxydation CO et HC seulement
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2- Approches technologiques – dépollution
Filtre à particules diesel
Accumulation des particules sur un filtre, Élimination par combustion /régénération Exemple: Filtre Peugeot SA : Ø Ø Ø Ø Ø
Moteur à injection directe avec rampe commune post-injection/combustion (augmentation température 200-250°C et HC) 2e post-combustion sur catalyseur d’oxydation (+100°C, combustion HC) Addition d’Eolys (base cérine) : 550°C combustion des particules filtration efficace à 99 %, sur l’ensemble des tailles Catalyseur Filtre à d’oxydation particules
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2- Approches technologiques – dépollution
Réduction « sélective » des NOx par SCR
Configuration poids lourds (source Renault Trucks)
Injection agent réducteur AdBlue (à base d’urée)
Hydrolyse Urée (NH2)2CO + H2O ⇒ 2 NH3+ CO2
NOx : 90% NO + 10% NO2 NH3
Sortie moteur Option: Pré-Catalyseur d’oxydation pour faibles charges (bus)
Nox
Catalyseur SCR
Cata Oxydation pour conversion des NH3 en excès (compromis conversion NOx, risque de rejet NH3) 4NH3 + 3O2 ⇒ 2N2 + 6H2O Clean Up Cat NH3
N2 H 2O Sortie SCR
Réduction NOx NOx + NH3 ⇒ N2 + H2O
Precat
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NO oxidation NO + ½ O2 ⇒ NO2
Consommation urée : 4 à 6 % du carburant sur les moteurs Euro4 et Euro 5
2- Approches technologiques
Technologies alternatives
Véhicules électriques et hybrides (thermique + électrique) Ø Ø Ø Ø
Pile à combustible Ø Ø
Ø Ø
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Optimisation, récupération d’énergie Circulation locale sans pollution Véh. Hybride Rechargeable : utilisation de l’énergie du réseau Inconvénients / limites : complexité, poids, batteries
28
Production d’électricité par oxydation sur une électrode d’un combustible (ex. H2) et réduction sur l’autre électrode d’un oxydant (ex. O2) Hydrogène stocké sous pression (350-700 bars) ou produit par reformage Contrôle! Batterie! de méthanol ou méthane, E2! ou utilisation directe méthanol Moteur! électrique! E1! 1! Applications automobiles Réducteur
B.V.
incertaines (sauf gros différentiel! 1! Moteur! véhicules, locomotives) BV.2! thermique! E1!
Schéma d’un véhicule hybride parallèle
2- Approches technologiques
Carburants
Amélioration des carburants traditionnels Ø Ø Ø
Par substitution de composés toxiques ou nuisant au post-traitement (Pb, S, métaux…) Par émulsion eau + gazole (aquazole sur bus) Par incorporation de bio-carburants (pour l’effet de serre) – France 7% PCI en 2010 (7,6% et 9,2% en vol. en biodiesel et éthanol resp. )
Au-delà de carburants directement utilisables, il faut des moteurs adaptés (neufs ou rétrofit) ou adaptatifs Ø Ø
Moteurs et matériaux pour carburants à fortes teneurs en alcool (jusqu’à 22%) Flex-fuel: auto-adaptatif de 22 à 95% d’éthanol
Carburants alternatifs Ø Ø
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GPL (propane+butane), GNV (gaz naturel) Agro-carburants, Carburants de synthèse (à partir de gaz, charbon ou biomasse)
2- Approches technologiques - véhicules
conclusions
Les approches technologiques sont multiples Ø
Sophistication des techniques de dépollution Ø Ø
Ø
Motorisation, dépollution, carburants, énergie Supports de catalyse et techniques de régénération variées Nécessité de « séparer » les différentes conversions, de pilotage précis des différents étages, complexité d’intégration et liée aux régimes transitoires
Les approches technologiques sont cependant insuffisantes pour résoudre les problèmes de pollution de l’air liés au trafic Mesures organisationnelles Ø
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Gestion /organisation du trafic, politiques de transport
Catalyseur d’oxydation + Piège à NOx
(Source PSA) Filtre à Particules
ou ’ Catalyseur SCR
Modélisation et évaluation pour la planification urbaine 1-5 septembre 2014, Paris - Marne-la-Vallée
Émissions de polluants des trafics et évaluation
3- Métrologie et outils de calcul des émissions
Quelques mots de métrologie Paramètres des émissions Outils d’estimation
Michel ANDRÉ Directeur de recherche Laboratoire Transports et Environnement - IFSTTAR
[email protected] 01/10/14 31
3- Métrologie et paramètres des émissions - en résumé
On mesure les émissions (échappement) sur banc d’essai (de véhicule ou de moteur) Ø Ø Ø
Certains phénomènes et polluants sont appréhendés in situ (mesures en tunnel, bord de route) Ø
Cycles d’essai de quelques dizaines de minutes, transitoires ou stabilisés Facteurs d’émission (agrégés), fonction du fonctionnement, des vitesses, par catégories détaillées de véhicules Courbes d’émission instantanée pour quelques polluants
Facteurs d’émission très agrégés d’un trafic
Les paramètres prépondérants de l’émission sont Ø Ø Ø Ø
01/10/14
32
Les catégories de véhicules, leur motorisation et la réglementation pollution qu’il satisfont Les conditions de circulation Le démarrage à froid et les conditions de fonctionnement transitoire Le mode de transport (pour un même service)
3.1 Métrologie des émissions (échappement) – véhicules légers
Sur banc d’essai de véhicules Cycle d’essai (10-20 min.) Prélèvement des gaz dans sacs / sur filtres / sur cartouches Analyse des concentrations de polluants Ø Ø
Sacs, filtres,… En ligne
Analyseurs de polluants Analyses physicochimiques complexes (chromatographie, ARTEMIS urban driving cycle for passenger cars spectrométrie, granulométrie, etc.)speed (km/h) Speed (km/h)! Cycle urbain! start urban dense phase
Facteurs et paramètres de l’émission, détaillés par catégories40 de véhicules / moteurs, etc. 60
free-flow urban
congested, stops
congested, flowing, low speed stable
20
01/10/14
33
0 0
200
400
600
800
time (s) 1000
3.1 Métrologie des émissions – véhicules lourds
Sur banc « moteur » pour les camions (et gros moteurs) Fonctionnement « stationnaire » (+ transitoires) Prélèvement et analyses polluants (idem) Emission Maps
Banc moteur
]r 7 e w6 o p d5 e t a r 4 _ W k /) 3 h / 2 g ([ x1 O N.0 1
0.8
Pe 0.6 0.4 /P _r 0.2 at 0.0 ed -0.2
Power
01/10/14
34
0. 0
0. 2
0. 4
0. 6
0. 8
orm n_n
1. 0
Engine speed
Banc d’essai de réacteur d’avion
3.1 Métrologie des émissions –
Mesure des émissions en proximité de trafic
En tunnel : on réalise un bilan « entrées - sorties » du tunnel En bordure de route Ø
On quantifie la contribution du trafic, par déduction des autres sources en un point récepteur (mesures de concentrations de polluants dans l’air, identification des sources, météo)
Permet de quantifier les émissions globales (y compris non échappement) très agrégées du trafic dans des conditions particulières « locales »
Tunnel de Lundby (Suède) 01/10/14
35
Points de mesure - Plabutsch (Autriche)
3.2. Paramètres des émissions de polluants (échappement)
Influence prépondérante des parcs par : Ø Ø
Ø
Ø
Ø
Les catégories de véhicules (VP, VUL, PL, Bus / Cars, 2-roues) Les motorisation Émission à chaud g/km, Parcs France, 2010 (essence, diesel, 0,5 0,83 NMHC dépollution) g/km PM La réglementation 0,4 Camions pollution (émission) des véhicules 0,3 Voitures Les écarts peuvent être très importants entre 2 catégories voisines Les écarts diminuent cependant
Diesel
0,2
0,1
0,0 Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro- Euro0 I II III IV 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 Diesel
01/10/14
36
Essence
HGV
Diesel
Petrol pass. car
3.2- Paramètres des émissions (échappement) - catégorie, carburant, réglementation pollution 20
Émission à chaud g/km, Parcs France, 2010
g/km
24,6
CO NOx
Motos / cyclos
15
10
Diesel 01/10/14
37
HGV
Diesel
Petrol pass. car
Petrol motorcycle
Euro-3
Euro-2
Euro-1
Euro-0
Euro-4
Euro-3
Euro-2
Euro-0
Essence
Euro-4
Euro-3
Euro-2
Euro-0
Euro-IV
Euro-III
Euro-II
Euro-I
0
Euro-0
5
Euro-1
Voitures Diesel
Euro-1
Camions
3.2- Paramètres des émissions (échappement) – les catégories de véhicules
Émissions-types des véhicules routiers - émission « moteur chaud » Parcs automobiles en circulation, France, 2010, approximation cars/bus/2R
01/10/14
38
3.2. Paramètres des émissions de polluants (échappement)
Influence forte des conditions de circulation Ø
(mais faible latitude pour les influencer significativement)
Influence du démarrage à froid (70 à 100% de CO, COV, benzène), du fonctionnement en transitoire et d’autres paramètres d’utilisation Ø Ø Ø Ø
Charge Pente Entretien …
emission (g/km) 6
UK - émissions du trafic en 2005 (10% camions)
Fortes différences entre les modes de transports, pour un même service
PM10 x 10
5
CO CO2
3
39
500 400
NMHC
300
2
200
1
100
0
0 0
01/10/14
600
NOx
4
CO2 (g/km)
20
40
60
80
Average speed (km/h)
100
120
3.2- Paramètres des émissions – le mode de transport
Émission unitaire en gramme de polluant par passager x km (voyageur) ou en g / tonne x km (marchandise) Exemples de comparaisons de modes: Ø
(hypothèses statistiques de taux de remplissage)
émission Mode 1 =
émission Mode 2 x N
Trajet
NOx
CO2
Trajet domicile - travail
Voiture
=
Bus
x2
x8
Interurbain (longue distance)
Avion
=
Train
x7
x8
Voiture
=
Train
x4
x4
Routier
=
Voie d’eau
x 1,2
x 1,4
Routier
=
Rail
x 10
x2
Marchandises - longue distance
01/10/14
40
3.2- Paramètres des émissions –
conclusion
Influence prépondérante des parcs automobiles par l’évolution des technologies Ø Ø Ø Ø
Les conditions de circulation Ø Ø Ø Ø
Facteurs de variation de 1 à 5 sur la plage de vitesse 20 à 30% de variation selon l’accélération Facteur 2 à 3 selon conditions de trafic (fluide, congestion) (Mais latitude limitée de variation des vitesses localement)
Les paramètres de fonctionnement Ø Ø Ø Ø
Catalyseur Essence : CO, HC divisé par 10, NOx divisé par 3 EURO 1 à EURO4 : NOx Essence divisé par 4, Diesel par 2 Filtre à particules: réduction à 99% (en masse) Les écarts s’atténuent cependant
Démarrage à froid (70 à 100% de certains polluants) Chargement, pente (Camions) Climatisation, auxiliaires insuffisamment connus Entretien, dysfonctionnement idem
Le mode de transport
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41
3.3. Outils de calcul des émissions de polluants - principes et types d’outils
Pour un polluant p,
Emission = E Chaud + E Froid + E Évaporation+ E Autres + etc. = Σ émission unitaire x “quantité d’activité” (Lieux, catégories de véhicules, conditions, etc.)
Ø Ø
Somme sur : « Phénomènes », Catégories de véhicules, Nombre de véhicules / flux, lieux, périodes, etc. “quantité d’activité”= nombre de véhicules, km, démarrages, heures de conduite ou de parking, etc.
Outils Ø Ø Ø Ø
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très agrégés : quantités d’émission selon distances parcourues – Cf Guidebook, site Agence Internationale de l’Environnement « agrégés » , fonction de la vitesse moyenne « modaux » pseudo-instantanés (selon une courbe de vitesse et accélération)
3.3. Outils de calcul des émissions de polluants
Modèle européen COPERT (Version 10 en 2013)
Emission à chaud = f(vitesse moyenne, catégorie de véhicule) Ø
Approche « macroscopique », niveau d’un trajet / cycle d’essai
Autres paramètres / phénomènes d’émission, selon catégories Ø
Démarrage à froid, évaporation de carburant: – Modélisation statistique selon longueurs de trajets, durées en stationnement, conditions climatiques, carburants, caractéristiques techniques des véhicules
Ø
Charge à bord du véhicule, pente de la route – Correction pour les PL
Ø
Ø
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Corrections selon température, humidité, selon kilométrage (dégradation) Climatisation, auxiliaires, entretien, dysfonctionnements mal ou pas décrits
43 Fonctions Copert4
3.3. Outils de calcul des émissions de polluants
Copert : Grande variabilité entre véhicules, et incertitudes
La continuité des fonctions n’est pas un gage de précision (grande variabilité) La grande diversité des véhicules fait que chaque courbe est construite sur peu de données Nombreux phénomènes d’émissions ne sont pas bien connus et décrits Ø
Ø
Ø
Métaux lourds (Plomb, Cd, Zn, ..) du carburant, de l’huile, et par usure moteur sous forme d’un contenu équivalent dans le carburant Abrasion (route), usure (freins, embrayage, pneus): non pris en compte ou via la littérature et mesures in situ Remise en suspension de particules: idem
Grande inégalité de précision selon les polluants (certains sont constants avec la vitesse, le carburant, …)
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Fonction Copert3
3.3. Outils de calcul des émissions - dérivés de COPERT COPCETE, CIRCUL’AIR, HEAVEN, MOCAT,…
Informatisation de la méthode COPERT 4 (V9) (sous Excel…) Ø Ø Ø Ø
Pour utilisation sur un réseau routier et intégration de données nationales Interprétation de l’approche de détermination du froid et de l’évaporation Des polluants complémentaires Pour interfaçage avec les outils de dispersion (ADMS, SIRANE, etc.)
Intègrent différentes versions de composition du parc automobile français (Citepa et Ifsttar, urbain, rural, autoroutier) et autorisent un parc « utilisateur » Fonctionnent sur des « segments de distance » ou plus généralement sur des séries de données (jusqu’à 10,000 et +, durées / zones / distances) avec flux et vitesses des véhicules Limite: risque d’erreurs ou de mauvaise interprétation de la méthode Copert, et difficulté de maintenance (mises à jour)
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3.3. Outils de calcul des émissions de polluants
Modèle instantané (ex. PHEM – Techn. Universität Graz)
Basés sur le fonctionnement moteur (ou véhicule) Données d’émission : cartographie moteur Ø
Poids lourds – – – –
Ø
Régime moteur x puissance (ou couple) sur banc moteur En fonctionnement stabilisé pour différents modes Corrections pour la prise en compte des transitoires Simulation du fonctionnement du véhicule (conduite, comportements)
Véhicules légers: – Données sur cycles transitoires ou in situ
Peut fonctionner sur une courbe de vitesse V(t) à la seconde Ø
Interfacé avec VISSIM et AIMSUN
Limites Ø Ø Ø
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Validité à la seconde non démontrée échelle de validité non documentée Non exhaustif (peu de polluants, que l’émission échappement)
PHEM – Modèle « pseudo »- instantané Driving resistances & transmission losses Normalized Emission Maps r] 7 e w6 o p d5 te a r 4 _ W 3 /k ) h / 2 (g [ x1 O N.0
Gear shift model
0.8
Power
0. 0
0. 4
0. 6
0. 8
47
from 27 engines
1. 0
rm ospeed
Engine n_n 0. 2
Engine load, FC, emissions 01/10/14
from 102 engines EURO 0 to EURO 3
Transient tests
1
Pe 0.6 0.4 /P _r 0.2 at 0.0 ed -0.2
Engine maps
Fuel Quality Transient Correction
3.3- Outils de calculs des émissions de polluants
Conclusions - limites
Les modèles de calcul d’émission de polluants des transports reposent sur des principes simples Ø Ø Ø
Les outils de calcul sont complexes par Ø Ø
liés à la complexité des mesures d’émission et à la grande diversité des catégories de véhicules et polluants Nombreux phénomènes et polluants insuffisamment décrits Transports non-routiers : approches très grossières (selon consommation)
La structuration des calculs d’émissions (chaud, froid, etc., catégories très détaillées de véhicules, etc.) Le besoin très important de données caractérisant les parcs, trafics, conditions climatiques et d’utilisation, etc.
Outils : Ø Ø Ø
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COPERT4 – version 10 : outil européen, approche « macroscopique » en fonction de la vitesse moyenne HBEFA : approche macroscopique selon des « situations de trafic » : permet une approche plus détaillée et à échelle de la rue PHEM outil pseudo-instantané : fonctionne sur une courbe de vitesse pour simuler des conditions détaillées de fonctionnement, mais n’est pas validé à des échelles très fines (seconde, 10 mètre)
Modélisation et évaluation pour la planification urbaine 1-5 septembre 2014, Paris - Marne-la-Vallée
Émissions de polluants des trafics et évaluation
4- Évaluation de la pollution de l’air des transports - Exemple du PDU de Nantes
Problématique Modélisations, outils Difficultés Exemples
Michel ANDRÉ Directeur de recherche Laboratoire Transports et Environnement - IFSTTAR
[email protected] 01/10/14 49
4.1 - Évaluation de la pollution de l’air des transports
– Problématique
Du trafic à l’impact (sur la santé), le « risque » s’exprime par une chaîne complexe de phénomènes risque
= x x x x x
activité (de transport) émission unitaire dispersion transformation éventuelle toxicité population touchée, milieu affecté
Évaluer / diagnostiquer : Ø Ø
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50
par l’observation, la mesure aux différents niveaux Par la modélisation / prévision : par couplage de différents modèles
4.1 - Évaluation de la pollution de l’air des transports – un empilement de données et/ou de modèles 1.
Connaissance du trafic en chaque point d’un réseau 1.
Observations / Simulation des déplacements / mobilités – Origines – destinations - Choix modal – selon comportements / usages, lieux, périodes
2. 3. 4.
2.
Conditions de trafic Ø
3.
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Observation / Détermination en chaque point du réseau (simulé) des vitesses ou conditions de circulation selon le trafic, la voie, etc.
Composition détaillée du parc automobile Ø
4.
Connaissance / Modélisation des réseaux (routiers, TC, autres) Répartition / Affectation des trafics sur le(s) réseau(x) routiers (et fer) Détermination des itinéraires (selon des contraintes temps, coûts)
Caractéristiques des véhicules en circulation sur chaque brin du réseau
Calcul des émissions de polluants en chaque lieu et période …/… 51
Évaluation de la pollution de l’air des transports – un empilement de données et/ou modèles 4. 5.
… Émissions de polluants en chaque lieu et période Prévision de la qualité de l’air Ø
6.
Exposition des individus Ø
7.
Connaissance des activités selon les lieux / heures
Toxicité, impacts sanitaires des polluants considérés sur les populations concernées, selon les teneurs Ø Ø
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Mesure / Détermination des concentrations de polluants selon les lieux
52
études toxico et épidémiologiques populations à risques Source: Air-Rhône-Alpes
4.2- Évaluation de la pollution de l’air des transports
Une approche classique de l’évaluation des PDU Territoire, Périmètre d’évaluation
Interprétation des mesures du PDU, traduction en hypothèses / scénarios
Modélisation déplacements et trafics Composition des parcs automobiles Émissions de polluants Dispersion des polluants Exposition des populations 01/10/14
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Impacts sanitaires
4.2- Évaluation de la pollution de l’air des transports
Une approche classique de l’évaluation des PDU
Modèles de déplacements (demande) Ø Ø Ø
Modèles d’affectation du trafic sur le réseau (modèle « statique ») Ø Ø
De zones à zones, « origines-destinations » issues d’enquêtes Choix des modes de transports (enquêtes de préférence) Construction simplifiée et macroscopique des mobilités quotidiennes d’une agglomération (mouvements de zones à zones) Affectation des mobilités sur un réseau de routes modélisé Principe d’équilibre et sélection de l’itinéraire correspondant à un optimum du « coût généralisé » (énergie, temps, coût)
Modèle d’écoulement du trafic Ø Ø
Courbes déterminant la Vitesse de circulation selon le Débit (volume de trafic); formes théoriques et calibration in situ par les comptages Autres : modèles de trafic dynamiques et microscopiques
puis calculs d’émissions - dispersion - qualité de l’air 01/10/14
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Problématique et difficultés de calcul des émissions de polluants sur un réseau via un modèle de trafic Sur le périmètre concerné, réseau routier décrit en arcs et/ou zones « surfaciques » Localisation
Quantification
Représentation temporelle et Pas de temps
Trafic sur chaque arc (veh /h), ou zone (vehxkm /h), à chaque intervalle de temps et pour chaque catégorie de véhicules
Vitesses de circulation correspondantes Représentation des conditions de Composition Parc automobile circulation Calculs des émissions, Hypothèses distribuées spatialement et - Véhicules froid temporellement sur le réseau - Évaporation Spécificités locales et le périmètre considéré parc, utilisation, etc. - Carburants, météo Concentrations locales, - U tilisation des véhicules 01/10/14 55 expositions, impacts sanitaires
4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation
Difficultés de « couverture »
Des trafics insuffisamment appréhendés Ø Ø Ø Ø
Trafics des non-résidents (hors enquêtes) Échange et transit régionaux, Transports de marchandises en ville non pris en compte explicitement Les modèles de trafic ne distinguent que véhicules lourds – véhicules légers et non les catégories de véhicule (2RM, VL, VUL, PL, bus, …) – reconstitution sur autres hypothèses (nationales) – % de bus, camions, VUL, VP au prorata du nombre de PL et VL – Spatialisation non exacte des trafics autobus, camions, 2-roues
Ø
Nécessité de données locales de composition des parcs (EMD, enquêtes) et de distribution sur le réseau (observations, comptages)
Déficit de connaissance sur les polluants à fort impact sanitaire (PM, HAP, etc.) et certains phénomènes significatifs (remise en suspension)
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4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation
Difficultés de répartition et quantification
Répartition spatiale et horaire imprécise (trafics et émissions) Ø
O-D par zones (relativement larges) et périodes limitées (heure de pointe, heure creuse, jour de semaine) – Approximation du trafic horaire journalier annuel par des TMJA et comptages
Ø
Modélisation partielle du réseau routier (et TC) – Trafics intra-zones et « diffus »
Ø
Difficulté de spatialisation et d’estimation des sur-émissions liées au démarrage (lieux, périodes, longueurs des trajets) et à l’évaporation (lieux et durées de parking) – Hypothèses simplificatrices (souvent nationales) et affectation quasi-uniforme des surémissions – La spatialisation de ces émissions pourrait s’appuyer sur les spécificités locales (via EMD) : origines – destinations des déplacements (démarrages), les itinéraires (surémission à froid), et sur les lieux de parking (évaporation de carburants)
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4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation
Difficultés - résolution temporelle (et spatiale)
Conditions de circulation Ø Ø
Ø
Représentation faible de la congestion au pas horaire et par un modèle statique L’approche de calcul d’émission par des vitesses moyennes sur 1 heure et sur des tronçons longs minimise sans doute la variabilité des conditions de circulation et en conséquence les fluctuations des émissions, voire leur niveau Insuffisance des modèles d’émission agrégés ( fonction de la vitesse moyenne) pour appréhender les émissions liées aux fluctuations des conditions de circulation
Une approche plus désagrégée (situations de trafic distinguant congestion, trafic fluide, variabilité des vitesses) sur des pas de quelques minutes serait sans doute plus réaliste L’approche « instantanée » (modèles microscopique) se heurte à la difficulté de connaissance / simulation de courbes de vitesses réalistes
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4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation Difficultés liées aux parcs automobiles et spécificités locales
Le calcul d’émission nécessite une connaissance détaillée des parcs en circulation », par technologies, motorisations, normes EURO, âge…
L’évaluation de mesures locales de gestion / organisation du trafic, ou d’un PDU nécessiterait donc de considérer les spécificités locales de parcs Ø
Ø
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Comportements d’achats des voitures (Diesel / essence, moyennes / grosses cylindrées, etc.) et de renouvellement, fortement influencés par les contextes socio-économiques locaux/régionaux Parc de bus au gaz naturel, etc.
4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation
Difficultés de prise en compte des mesures du PDU
Des modes et usages non représentés Ø
Vélo, modes doux non pris en compte par le modèle de trafic – Difficulté d’évaluation de sensibilisation, libre service, piste cyclable
Ø
Covoiturage, accompagnement – Artifice : augmentation du remplissage des véhicule et baisse des coûts
Ø
Service d’autopartage : tarif spécifique VP, accès à un véhicule des ménages non motorisés ?
Des mesures complexes Ø Ø Ø
Ø Ø 01/10/14
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Ligne de TC + Parc-relais : modification des affectations PDE/PDA/PDES (convergence d’actions vers un site spécifique : offre TC, tarification, vélos, covoiturage dédié) : impossible à modéliser Low Emission Zones (déplacement / itinéraire vers certaines zones conditionné par le type de véhicule, incidence sur choix modal et acquisition de véhicule) : non possible au niveau des modèles classiques E-commerce / marchandises en ville, Sensibilisation et évolution des comportements, …
4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation
Complexité des effets / interactions
Effets reports Ø
Effet dilution Ø
Les reports d’itinéraires et la répartition temporelle du trafic peuvent augmenter les quantités d’émissions tout en lissant les niveaux de concentration. Des effets (locaux) significatifs au niveau des trafics et émissions peuvent être insignifiants en concentrations de polluants, compte-tenu des apports (régionaux et autres secteurs), de la pollution de fond, de la formation de polluants secondaires
Migration de pollutions (hors lieux de trafic/émission) (PM, O3) Couplage des modèles trafic - émissions – concentrations exposition Ø Ø
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Problèmes d’échelles, d’interface, de compatibilité à résoudre Hypothèses simplificatrices (Ex: répartition de la population au bâti et d’exposition au domicile)
4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation
Difficultés de l’évaluation « a priori »
Contexte en évolution (périmètre du territoire en extension, aménagements non prévus, etc.) Évolution des données comportementales (mobilité, valeurs du temps, choix modaux) sous différents contextes (intermodalité, politiques de stationnement, sensibilisation, etc.) L’évaluation prospective de mesures se superpose à la forte influence liée à l’évolution naturelle du parc Ø Ø
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Chaque année, 7-8% de véhicules anciens polluants sont remplacés par des véhicules peu polluants Les motorisations alternatives (électriques, hybrides, carburants alternatifs) s’inscrivent dans cette « démographie » du parc automobile
4.3 - L’évaluation environnementale des PDU par la modélisation
Indicateurs et niveau de l’évaluation
Les « nuisances globales » (trafic, énergie, gaz à effet de serre) et les scénarios ou actions à large portée peuvent être évalués à l’échelle d’un territoire ou d’un PDU Les nuisances locales (congestion, bruit, concentration de polluants à impact sanitaire) ne sont souvent pas quantifiables à échelle des territoires (compensation, imprécision) et doivent être spatialisées Ø
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Indicateurs de types « nombre de personnes exposées à niveau de concentration », etc.
Les actions à portée relativement locale (vitesse limite, ligne TC) doivent également être évaluées à échelle de leur portée (impacts insignifiants à échelle du territoire)
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4.4 - Exemple de résultats, cas du PDU de Nantes
Trafics et émissions de polluants
Calcul des trafics, émissions, concentrations de polluants Situation pre-PDU, 2002 Des axes à forts trafics et émissions de NOx
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4.4 - Exemple de résultats, cas du PDU de Nantes
Diminution des émissions de NOx entre 2002 et 2008
évolution 2002 – 2008 Diminution des émissions presque partout
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4.4 - Exemple de résultats, cas du PDU de Nantes Émissions de NOx entre 2002 et 2008 En kilo Tonnes
Consom mation TeP
GES eq. CO2
En Tonnes CO
C6H6
NOx
NO2
PM 10
PM 2,5
SO2
COV
2002
311
961
16,1
75
6 569
642
614
485
179
2 412
2008
330
1 033
8,6
37
5 179
881
540
401
33
1 148
écarts
+6 %
+8 %
-47 % -51 % -21 % +37 % -12 % -17 % -81%
-52%
Correction par l’écart de trafic (augmentation de 8,5%) -2,3%
-1%
-51% -55% -27% +27% -19% -24% -83% -56%
Influence liée à l’évolution de la composition du parc (trafic et contexte fixés) -1,4%
+0,4%
-49% -59% -25% -1,5% -20%
-83% -55%
Imputable au PDU et à l’évolution du contexte -1% 01/10/14
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-1,3%
-1,8% +4,5% -2,3% +28% +1,1%
0,0% -1,1%
4.4 - Exemple de résultats, cas du PDU de Nantes Incidence de scénarios à large portée
Scénario : Mobilité + 20% par rapport à la situation 2008
Les concentrations de NO2 augmentent à proximité des axes où il y a du trafic
Évolutions significatives à l’échelle du territoire
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4.4 - Exemple de résultats, cas du PDU de Nantes Mesures à portée localisée – Cas du Busway
Impact de la mise en service du Busway (référence 2008)
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4.4 - Exemple de résultats, cas du PDU de Nantes
Mesures à portée localisée – vitesse limite réduite
Vitesse limitée Ø Ø
70 km/h sur grands axes 30 km/h au centre-ville
Émission de NOx (réf. 2008) Des trafics (!) et émissions plus faibles sur les axes limités
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Il peut s’agir d’un artéfact de la modélisation du trafic (valeur du temps, affectation, alors que la capacité pourrait augmenter)
4.4 - Exemple de résultats, cas du PDU de Nantes
Scénarios à portée locale
Conso Kilo TeP
GES Kilo CO Téq CO2 Kilo Tonnes
Évolution 2002-2008 évolution
+6 %
+8 %
-47 %
NOx
NO2
PM10
COV
Tonnes
Tonnes
Tonnes
Tonnes
-21 %
+37 %
-12 %
-52%
537 540
1 139 1 148
Comparaison avec-sans aménagement du Busway Sans Avec
328 330
1 026 1 033
8,5 8,6
5 146 5 179
évolution
< +1%
< +1%
< +1%
< +1%
875 881
< +1% < +1%
< +1%
Comparaison avec vitesses limitées (70km/h sur grands axes, 30 km/h au centre-ville) Vitesses limitées
329
1 030
8,6
5 173
879
535
1 165
évolution
< -1%
< -1%
< +1%
< -1%
< -1%
< -1%
+ 2%
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L’évaluation de la pollution de l’air des trafics - Conclusions
Du trafic à l’impact, les phénomènes sont nombreux et complexes La modélisation offre un cadre d’analyse de scénarios L’évaluation se heurte cependant à plusieurs difficultés Ø Ø Ø Ø Ø
Différentes voies d’amélioration Ø Ø
Compétences et outils multiples avec leurs limites Inégalité de connaissance et incertitudes selon les polluants et phénomènes Spécificités locales (parcs, …) rarement connues Incertitudes de spatialisation / répartition horaire des trafics et émissions Difficultés de modéliser globalement les PDU et certaines mesures Articulation plus directe entre des modèles plus performants Données locales (parcs, usage des véhicules, via EMD, observations)
Des effets peuvent être démontrés avec des scénarios à portée « globale » et significative Des actions « locales » n’ont le plus souvent qu’une portée locale
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