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.

01/10/14

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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

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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)

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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

01/10/14

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)

01/10/14

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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

01/10/14

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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23

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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25

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 

01/10/14

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 

01/10/14

29

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 

01/10/14

30

Gestion /organisation du trafic, politiques de transport

Œ Catalyseur d’oxydation + Ž Piège à NOx

(Source PSA)  Filtre à Particules

ou Ž’ 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

01/10/14

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 

01/10/14

42

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 

01/10/14

43

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, …)

01/10/14

44

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)

01/10/14

45

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 

01/10/14

46

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 

01/10/14

48

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 

01/10/14

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. 

01/10/14

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 

01/10/14

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

53

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

54

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)

01/10/14

56

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)

01/10/14

57

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

01/10/14

58

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 

01/10/14

59

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

60

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 

01/10/14

61

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 

01/10/14

62

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 

 

01/10/14

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)

63

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

01/10/14

64

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

01/10/14

65

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

66

-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

01/10/14

67

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)

01/10/14

68

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  

01/10/14

69

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%

01/10/14

70

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

01/10/14

71