Fact Sheet | Une brève histoire de l’octane dans l’essence : Du plomb à l’éthanol

L’une des pierres angulaires de la politique environnementale américaine a été la réduction des émissions nocives d’échappement des voitures et des camions. Grâce aux réglementations de l’EPA sur les sources mobiles, les polluants atmosphériques ont été réduits de millions de tonnes dans l’environnement urbain. Plusieurs règlements de l’EPA sur les carburants concernent l’octane. L’octane est un additif de l’essence qui est nécessaire au bon fonctionnement des moteurs modernes. Les sources d’octane ont pris de nombreuses formes au fil des ans, tant renouvelables que pétrolières. Elles comprennent le plomb, le méthyl-tertio-butyl-éther (MTBE), le benzène, le toluène, l’éthyl-benzène et le xylène (BTEX), et l’éthanol (un biocarburant). Au fur et à mesure que des conséquences néfastes sur la santé et l’environnement ont été découvertes pour le plomb et les fournisseurs d’octane à base de pétrole, ils ont été retirés de l’approvisionnement en carburant ou réduits. Aujourd’hui, il existe deux sources principales d’octane utilisées dans l’approvisionnement en essence aux États-Unis, le complexe BTEX (un produit de raffinage du pétrole communément appelé aromatiques de l’essence), et l’éthanol.

Octane

Fig. 1 : indice d’octane de l’essence, tel qu’affiché dans une
station-service typique

L’indice d’octane est une mesure de la capacité d’un carburant à éviter le cognement. Le cognement se produit lorsque le carburant s’enflamme prématurément dans le cylindre du moteur, ce qui dégrade le rendement et peut endommager le moteur. Le cognement est pratiquement inconnu des conducteurs modernes. Cela est dû principalement au fait que les carburants contiennent un produit oxygéné qui empêche le cognement en ajoutant de l’oxygène au carburant. Ce produit oxygéné est communément appelé octane.

Dans la plupart des stations d’essence au détail, trois indices d’octane sont proposés : 87 (ordinaire), 89 (intermédiaire) et 91-93 (super). Plus l’indice d’octane est élevé, plus le mélange d’essence est résistant au cognement. L’utilisation de carburants à indice d’octane élevé permet également d’augmenter les taux de compression, d’utiliser des turbocompresseurs et de réduire la taille et la vitesse des moteurs, ce qui permet d’améliorer leur efficacité et leurs performances. Actuellement, le carburant à indice d’octane élevé est commercialisé sous le nom de « premium », mais les constructeurs automobiles ont exprimé leur intérêt pour l’augmentation de l’indice d’octane minimum aux États-Unis afin de permettre l’utilisation de moteurs plus petits et plus efficaces. Cela permettrait d’augmenter l’efficacité des véhicules et de réduire les gaz à effet de serre en diminuant la consommation de pétrole.

Lead

Au début du 20e siècle, les constructeurs automobiles étaient à la recherche d’un produit chimique qui réduirait le cognement des moteurs. En 1921, des ingénieurs automobiles travaillant pour General Motors ont découvert que le plomb tétraéthyle (mieux connu sous le nom de plomb) fournissait de l’octane à l’essence, empêchant ainsi le cognement du moteur. Bien que les hydrocarbures aromatiques (comme le benzène) et les alcools (comme l’éthanol) soient également des fournisseurs d’octane connus à l’époque, le plomb a été le choix préféré en raison de son coût de production inférieur. L’essence au plomb était le type de carburant prédominant aux États-Unis jusqu’à ce que l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) commence à l’éliminer progressivement au milieu des années 1970 en raison d’impacts graves prouvés sur la santé.

L’essence au plomb & Préoccupations sanitaires

Au début de son utilisation en tant qu’additif pour carburant, des préoccupations sanitaires ont été soulevées concernant l’utilisation du plomb dans l’essence. En 1924, 15 ouvriers de raffineries du New Jersey et de l’Ohio sont morts d’un empoisonnement présumé au plomb. En conséquence, le Surgeon General a temporairement suspendu la production d’essence au plomb et a réuni un groupe pour enquêter sur les dangers potentiels de l’utilisation du plomb dans l’essence. Bien que le panel ait trouvé des preuves insuffisantes d’empoisonnement au plomb sur une courte période, il a averti qu’une exposition plus longue au plomb pourrait entraîner « des maladies dégénératives chroniques de caractère moins évident. »

Malgré ces avertissements, le Surgeon General a fixé une norme volontaire de teneur en plomb, que l’industrie du raffinage a respectée avec succès pendant des décennies. Ce n’est que dans les années 1960, à la suite de recherches approfondies sur la santé, que les effets dévastateurs sur la santé d’une exposition au plomb à faible niveau ont été établis. Le corps en développement des enfants est particulièrement sensible aux faibles expositions ambiantes au plomb. Les effets de l’exposition au plomb sur la santé des enfants comprennent l’anémie, les troubles du comportement, un QI faible, des difficultés de lecture et d’apprentissage et des lésions nerveuses. Chez les adultes, l’exposition au plomb est associée à l’hypertension et aux maladies cardiovasculaires. Avant la suppression progressive du plomb dans l’essence, la quantité totale de plomb utilisée dans l’essence était de plus de 200 000 tonnes par an.

La suppression progressive du plomb dans l’essence aux États-Unis

Le Congrès a adopté la loi sur la pureté de l’air en 1970, mettant en branle la formation de l’EPA et, finalement, la suppression du plomb dans l’essence. L’EPA estime qu’entre 1927 et 1987, 68 millions d’enfants ont été exposés à des niveaux toxiques de plomb par la seule essence au plomb. La suppression progressive du plomb dans l’essence a ensuite réduit le nombre d’enfants ayant des niveaux toxiques de plomb dans le sang de 2 millions d’individus par an entre 1970 et 1987.

Calendrier de la suppression progressive du plomb

1970 : Le Congrès adopte la loi sur la qualité de l’air. L’EPA est formée et reçoit l’autorité de réglementer les composés qui mettent en danger la santé humaine.

1973 : L’EPA impose une réduction progressive de la teneur en plomb dans toutes les catégories d’essence.

1974 : L’EPA exige la disponibilité d’au moins une qualité d’essence sans plomb, afin d’être compatible avec les véhicules de marque et d’année modèle 1975. Le plomb endommage les convertisseurs catalytiques utilisés dans ces nouveaux véhicules pour contrôler les émissions d’échappement. Les convertisseurs catalytiques sont encore utilisés dans les véhicules aujourd’hui.

1996 : L’EPA interdit l’utilisation de carburant au plomb pour les véhicules routiers (l’essence au plomb ne représentait plus que 0,6 % des ventes d’essence en 1996). Le plomb est encore utilisé dans certains carburants d’aviation.

Grâce à des efforts coordonnés, le plomb est désormais absent de l’essence dans la majeure partie du monde. Après l’élimination progressive du plomb aux États-Unis, l’industrie du raffinage du pétrole a choisi de construire des capacités de raffinage supplémentaires pour produire de l’octane à partir d’autres produits pétroliers, plutôt qu’à partir de sources renouvelables comme l’éthanol.

Méthyl Tertiary Butyl Ether (MTBE)

Les Clean Air Act Amendments (CAAA) de 1990 ont constitué la prochaine réglementation majeure des carburants. Entre autres choses, le CAAA exige que les zones qui ne respectent pas les normes relatives à l’ozone troposphérique utilisent de l’essence reformulée (RFG). L’essence reformulée contient davantage de composés oxygénés, ce qui lui permet de brûler plus complètement. Par conséquent, la RFG réduit la formation de précurseurs de l’ozone et d’autres toxiques atmosphériques pendant la combustion.

Les raffineurs de pétrole n’étaient pas tenus d’utiliser un oxygénat particulier dans la RFG, mais à la fin des années 1990, un produit pétrolier, l’éther méthyl-tertio-butylique (MTBE), était utilisé dans 87 % de la RFG en raison de sa facilité de transport et de mélange. Dans le Midwest, l’éthanol était un composant plus courant des GFR. Malgré son succès dans la réduction des précurseurs de l’ozone, le MTBE a été progressivement éliminé de l’essence en raison de préoccupations concernant sa solubilité dans l’eau, ce qui a entraîné la contamination des ressources en eau dans de nombreux États. En 2005, l’EPA a signalé que le MTBE n’était pas utilisé en quantités importantes aux États-Unis. Actuellement, 30 % de l’essence vendue aux États-Unis est de l’essence reformulée. L’éthanol fournit l’octane supplémentaire requis par la RFG.

Timeline of MTBE Phase out

1998 : L’EPA convoque un Blue Ribbon Panel, qui constate que le MTBE constitue une menace pour les réserves d’eau souterraine. À l’époque, l’U.S. Geological Survey (USGS) constate la présence de MTBE dans 20 % des réserves d’eau souterraine dans les zones RFG.

2000 : L’EPA annonce l’élimination progressive du MTBE pour protéger l’eau potable. Dans le même temps, l’EPA et le ministère américain de l’agriculture (USDA) appellent à une augmentation de l’utilisation de l’éthanol pour préserver la qualité de l’air.

2000 – 2005 : Dix-sept États interdisent ou limitent considérablement l’utilisation du MTBE dans les pools d’essence.

Le complexe BTEX

Le complexe BTEX est un mélange d’hydrocarbures composé de benzène, de toluène, de xylène et d’éthyl-benzène. Communément appelés aromatiques d’essence, ces composés sont raffinés à partir de produits pétroliers à faible indice d’octane pour en faire un additif d’essence à indice d’octane élevé. Bien qu’un certain volume de BTEX soit présent dans l’essence, il est également ajouté à l’essence finie pour augmenter son indice d’octane. Le volume total de BTEX (aromatiques) dans l’essence finie dépend de l’indice d’octane souhaité et des autres propriétés souhaitées du carburant.

L’augmentation de l’utilisation des BTEX

Une conséquence de la suppression progressive du plomb a été l’augmentation des BTEX dans l’essence. Face à la suppression du plomb comme principal fournisseur d’octane dans l’essence, les raffineurs avaient deux alternatives disponibles, les BTEX et l’éthanol. L’industrie du raffinage a investi dans des capacités de raffinage supplémentaires pour remplacer le plomb par le BTEX, un produit de raffinage du pétrole à indice d’octane élevé. En raison du remplacement du plomb, le volume de BTEX est passé de 22 % à environ un tiers du stock d’essence en 1990. Dans les essences de qualité supérieure, la teneur en volume de BTEX pouvait atteindre 50 %. En rendant obligatoires des carburants plus propres, par le biais de l’essence reformulée et d’autres programmes, l’EPA a réduit le volume des aromatiques à entre 25 et 28 pour cent du pool d’essence conventionnelle, bien que certains professionnels de la santé remettent en question la sécurité même de ces niveaux.

BTEX & Préoccupations sanitaires

Après l’élimination progressive du plomb, il y a eu des préoccupations précoces concernant le complexe BTEX. En 1987, le sénateur Tom Daschle s’est inquiété des aromatiques de l’essence, écrivant :  » Un changement révolutionnaire se produit dans l’industrie de l’essence, qui constitue une menace sérieuse pour l’environnement et la santé publique – à savoir la concentration accrue de benzène et d’autres aromatiques. « 

Aujourd’hui, les recherches sur la santé suggèrent en effet que même une exposition de très faible niveau au complexe BTEX, provenant des additifs de l’essence et d’autres produits pétroliers, peut contribuer à des réponses négatives en matière de développement, de reproduction et d’immunologie, ainsi qu’à des effets cardio-pulmonaires. La combustion incomplète du complexe BTEX contenu dans l’essence entraîne la formation de particules ultrafines (PUF) et d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui ont leurs propres effets néfastes sur la santé, même à de faibles niveaux. Les UFP et les HAP sont cancérigènes et mutagènes. L’UFP et les HAP ont également été associés à des troubles du développement et des troubles neurodégénératifs, à des cancers et à des effets cardio-pulmonaires. Une attention considérable a été accordée au benzène dans le carburant, car il est hautement toxique. Dans le même temps, le remplacement partiel du benzène par d’autres composés aromatiques (xylène, éthyl-benzène, toluène) peut ne pas être suffisant pour réduire l’exposition aux effets toxiques des BTEX.

Timeline of Benzene Regulation

1990 : Le Congrès adopte les Clean Air Act Amendments, qui exigent, entre autres, d’abaisser la teneur en benzène dans les zones qui ne respectent pas les normes relatives à l’ozone troposphérique. Adopté dans le cadre du CAAA, le S.1630, l’amendement Clean Octane, qui donne à l’EPA l’autorité d’utiliser « des additifs bénins pour remplacer les aromatiques toxiques qui sont maintenant utilisés pour augmenter l’octane dans l’essence. »

2007 : L’EPA met à jour le Control of Hazardous Air Pollutants from Mobile Sources (MSAT2), qui plafonne la teneur totale en benzène de l’essence à 0,62 %, contre une moyenne de 1,3 %. Les autres aromatiques, comme le toluène et le xylène, ne sont pas plafonnés.

Ethanol

Les premiers constructeurs automobiles ont exprimé leur intérêt pour les carburants à base d’alcool végétal, comme l’éthanol. Henry Ford a conçu le premier modèle T pour fonctionner à l’éthanol. Mais, à l’époque, l’essence était un carburant beaucoup moins cher. De plus, la Standard Oil était « réticente … à encourager la fabrication et la vente d’un carburant compétitif produit par une industrie qui n’était en rien liée au pétrole ». L’industrie pétrolière a contrôlé le marché des carburants depuis lors.

Lors de l’embargo pétrolier de 1973, les prix de l’essence ordinaire sans plomb ont bondi de 57 % et des pénuries d’essence de routine ont également eu lieu. Ces événements, ainsi que la réglementation de nombreux polluants atmosphériques, ont suscité un regain d’intérêt pour l’efficacité énergétique, les véhicules électriques et les carburants renouvelables tels que l’éthanol, qui étaient considérés comme des moyens de respecter les nouvelles réglementations et de réduire la consommation de pétrole. Aujourd’hui, aux États-Unis, la majorité de l’éthanol est mélangé à de l’essence pour produire de l’E10 (10 % d’éthanol, 90 % d’essence). Plus de 95 % de l’essence vendue aux États-Unis est de l’E10.

L’éthanol comme booster d’octane

En plus d’avoir des émissions de gaz à effet de serre sur le cycle de vie plus faibles que l’essence conventionnelle, l’éthanol est un excellent fournisseur d’octane, l’éthanol pur ayant un indice d’octane supérieur à 100. Actuellement, les raffineurs produisent de l’essence à indice d’octane inférieur à celui requis. L’éthanol, qui est généralement le fournisseur d’octane le moins cher, est alors utilisé pour porter l’indice d’octane de l’essence à la valeur indiquée sur la pompe à essence. Par exemple, l’essence à 84 octanes est généralement mélangée à 10 % d’éthanol pour atteindre l’exigence minimale d’octane de 87 pour l’essence vendue au détail.

La recherche d’octane supplémentaire

À l’heure actuelle, il existe deux façons d’augmenter la teneur en octane de l’essence : augmenter le volume des aromatiques de l’essence ou augmenter le volume d’éthanol.

Éthanol & Préoccupations pour la santé

Bien que l’éthanol ait une volatilité plus élevée que l’essence, ce qui signifie qu’il se vaporise plus rapidement, il constitue une alternative à combustion plus propre que les boosters d’octane à base de pétrole. De plus, la toxicité de l’éthanol est faible par rapport aux effets sur la santé des BTEX et de leurs produits de combustion, tels que les particules ultrafines (PUF) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Une modeste augmentation de la teneur en éthanol dans le carburant de 10 à 15 % entraînerait une réduction anticipée de 6,6 % du risque de cancer lié aux émissions d’échappement.

Il existe des preuves contradictoires selon lesquelles l’augmentation de la teneur en éthanol dans l’essence augmente les émissions d’oxyde nitreux (NOX), un précurseur de l’ozone. Plusieurs études ne trouvent soit aucune relation entre le mélange d’éthanol et les émissions de NOX, soit une diminution des émissions de NOX avec l’augmentation des volumes d’éthanol. D’autres études suggèrent que les voitures plus anciennes émettent plus de NOX lorsqu’elles utilisent des mélanges d’éthanol. Cependant, une étude portant sur des véhicules de l’année 2012 n’a révélé aucune augmentation des émissions de NOX entre les mélanges E10, E15 et E20, ce qui suggère que la conception et l’âge du moteur jouent un rôle dans les émissions de NOX. Dans l’ensemble, l’effet de l’éthanol sur les émissions de NOX et de monoxyde de carbone (CO) est mineur dans les systèmes de contrôle des émissions des moteurs plus récents.

Timeline of Ethanol Phase-In

1975 : Le Congrès adopte la loi sur la politique et la conservation de l’énergie (EPAct), établissant des normes d’économie moyenne de carburant d’entreprise (CAFE) pour les voitures et les camions.

1988 : La loi sur les carburants alternatifs établit des incitations dans le cadre de la CAFE pour les véhicules à carburant alternatif.

1992 : La loi sur la politique énergétique de 1992 définit les carburants alternatifs et établit des programmes au niveau fédéral pour augmenter l’utilisation et la recherche de carburants alternatifs.

2005 : Le Congrès adopte la loi sur la politique énergétique de 2005, qui établit la norme sur les carburants renouvelables (RFS). La RFS fixe un volume minimum de biocarburants renouvelables à mélanger à l’offre de carburant pour le transport.

2007 : Le Congrès adopte la loi sur l’indépendance et la sécurité énergétiques (EISA), augmentant considérablement le volume de carburants renouvelables mandatés par la RFS, à 36 milliards de gallons d’ici 2022.

2013 : Invoquant un manque d’infrastructures pour les carburants renouvelables, l’EPA propose de réduire le volume de carburants renouvelables dans le cadre de la RFS.

2015 : L’administration fixe les volumes de carburants renouvelables pour 2014 – 2016. Les volumes définitifs de carburants renouvelables pour 2016 sont de 18,11 milliards de gallons, fixés à environ 1 milliard de gallons de plus que la proposition de 2013, et à un peu plus de 10 % de l’approvisionnement en carburant. Cela comprend les catégories de carburants renouvelables, de biocarburants cellulosiques, de biocarburants avancés et de diesel à base de biomasse.

Conclusions

Le plomb et divers produits pétroliers ont fourni de l’octane à l’essence pendant plus de 100 ans, mais l’évolution des préoccupations sanitaires et environnementales a conduit les décideurs à reconsidérer l’utilisation généralisée de nombre de ces composés. Alors que les États-Unis cherchent à réduire l’intensité des gaz à effet de serre dans le secteur des transports, l’augmentation de l’indice d’octane de l’essence est une piste prometteuse, car elle permettrait d’obtenir des moteurs plus économes en carburant. Mais il faut également tenir compte des impacts sanitaires et environnementaux des sources d’octane utilisées. En ajoutant de l’éthanol à l’essence finie, ce que l’on appelle le  » splash blending « , il est possible d’augmenter l’indice d’octane tout en diminuant simultanément les sources d’octane toxiques.

Une transition nationale vers un mélange optimisé d’éthanol de niveau intermédiaire, entre E25 (25 % d’éthanol, 75 % d’essence) et E40 (40 % d’éthanol), permettrait de réduire les coûts de carburant pour les consommateurs et de normaliser l’approvisionnement en carburant. Le ministère de l’Énergie reconnaît que l’augmentation de la teneur en éthanol de l’essence est une voie potentielle pour augmenter l’indice d’octane de l’approvisionnement en essence. Un mélange d’éthanol de niveau moyen permettrait de concevoir des moteurs à haut rendement énergétique qui réduiraient considérablement la consommation de pétrole, les émissions de gaz à effet de serre sur le cycle de vie et aideraient à respecter des normes plus strictes en matière d’économie de carburant. À l’heure actuelle, le ministère de l’Énergie et l’EPA ont approuvé l’utilisation de l’E15 pour les véhicules de marque et de modèle 2001 et plus récents, qui représentent 80 % des véhicules en circulation aujourd’hui.