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Kermit la grenouille a dit un jour :"Ce n'est pas si facile d'être vert." Bien qu'il ne fasse pas référence aux voitures, son observation semble particulièrement appropriée pour l'industrie automobile d'aujourd'hui :concevoir, développer et commercialiser des voitures "vertes" n'a pas été une tâche facile, c'est pourquoi les véhicules à essence dominent toujours la route et les carburants fossiles représentent encore près de 75 % de la consommation mondiale d'énergie. Cependant, à mesure que les prix de l'essence montent en flèche et que les inquiétudes concernant les émissions nocives augmentent, les voitures qui fonctionnent avec des sources de carburant alternatives deviendront de plus en plus importantes. Un véhicule au gaz naturel, ou GNV, est l'exemple parfait d'une telle voiture :il est économe en carburant, respectueux de l'environnement et offre un coût de possession relativement faible.

Galerie d'images de véhicules à carburant alternatif

David McNew/Getty Images
Un appareil de ravitaillement domestique au gaz naturel, Phill, par FuelMaker est connecté à un véhicule au gaz naturel Honda Civic NGV. Voir des photos de véhicules à carburant alternatif.

Cet article expliquera l'idée de base des VGN, examinera les défis de conception uniques impliqués et examinera les avantages et les avantages de cette technologie.

DécouverteCertains érudits pensent que des habitants du Moyen-Orient ont découvert cette propriété du gaz naturel entre 6 000 et 2 000 avant J.-C., lorsque la foudre a enflammé le gaz naturel s'échappant du sol. Les Chinois brûlaient du gaz naturel dès 211 av. J.-C. pour sécher le sel gemme trouvé dans la roche calcaire. Ils ont également foré les premiers puits de gaz naturel connus, en utilisant des perches de bambou et des forets primitifs, mais ils n'ont pu atteindre que des profondeurs de 500 pieds. En tant que

Contenu

Bases sur le gaz naturel
De Champ à Ford
Conception de véhicules au gaz naturel
Avantages et Inconvénients

>Bases sur le gaz naturel

Le mot "gaz" est un terme déroutant car il est utilisé pour décrire de nombreuses substances différentes qui sont similaires mais pas exactement identiques. Par exemple, le « gaz » que vous mettez dans votre voiture est de l'essence, un composant du pétrole brut ou du pétrole. Le pétrole est un mélange liquide sombre et collant de composés formés sous terre par la décomposition d'anciens animaux marins.

Le gaz naturel provient également de la décomposition d'organismes anciens, mais il prend naturellement une forme gazeuse au lieu d'une forme liquide. Le gaz naturel est généralement associé au pétrole brut. Il est dérivé à la fois des plantes terrestres et de la matière organique aquatique et se forme au-dessus ou au-dessous des gisements de pétrole. Il est souvent dissous dans le pétrole brut aux hautes pressions existant dans un réservoir. Il existe également des réservoirs de gaz naturel, dit gaz non associé, qui ne contiennent que du gaz et pas de pétrole.

Le gaz naturel se compose principalement de méthane et d'autres gaz d'hydrocarbures. Les hydrocarbures sont des composés organiques composés uniquement des éléments carbone et hydrogène. Les hydrocarbures du gaz naturel sont appelés hydrocarbures saturés car ils contiennent de l'hydrogène et du carbone liés par des liaisons simples. Comme le montrent les diagrammes, le méthane est l'hydrocarbure saturé le plus simple.

Comme l'essence, le gaz naturel est combustible, ce qui signifie qu'il peut être utilisé dans un moteur à combustion comme l'essence. Mais les voitures qui pouvaient fonctionner au gaz naturel n'ont fait leur apparition que dans les années 1930.

>Du champ au gué

Nous extrayons le gaz naturel emprisonné dans des réservoirs souterrains en forant des puits dans la terre. Un puits moderne, équipé de trépans à diamants, peut forer à des profondeurs approchant les 25 000 pieds.

Extraction et traitementLa plupart des puits modernes extraient à la fois du pétrole brut et du gaz naturel. Une partie du gaz naturel peut être utilisée telle qu'elle provient du puits sans aucun raffinage, mais la plupart nécessite un traitement. Le traitement du gaz naturel consiste à séparer tous les différents hydrocarbures et fluides du gaz naturel « humide » jusqu'à ce qu'il soit « sec ». Le gaz naturel sec est du méthane pur, qui est le carburant de choix pour de nombreuses applications grand public, y compris les véhicules au gaz naturel.

Tout au long du XIXe siècle, l'utilisation du gaz naturel est restée localisée car il n'existait aucun moyen de transporter de grandes quantités de gaz sur de longues distances. En 1890, l'invention d'un raccord de canalisation étanche a permis de transporter des kilomètres de gaz depuis la source. Les améliorations de la technologie des pipelines se sont poursuivies au cours des deux décennies suivantes jusqu'à ce que le transport de gaz à longue distance devienne pratique. De 1927 à 1931, les ouvriers ont construit plus de 10 grands systèmes de transport de gaz naturel aux États-Unis, faisant du gaz naturel une source d'énergie viable pour de nombreuses applications. Les pénuries de pétrole de la fin des années 1960 et du début des années 1970 ont ravivé l'intérêt pour le gaz naturel comme source de carburant, en particulier pour les automobiles.

Aujourd'hui, les propriétaires de véhicules au gaz naturel peuvent faire le plein dans l'une des 1 300 stations-service situées aux États-Unis. Honda offre également une pompe à gaz naturel personnelle aux personnes qui achètent sa Civic au gaz naturel. La pompe utilise les conduites de gaz naturel existantes d'une maison et peut être installée pour 500 $ à 1 500 $.

Dans la section suivante, nous discuterons de la conception des véhicules au gaz naturel.

BiogazLe gaz naturel n'est pas la seule source de méthane. Le méthane peut également être obtenu par fermentation de matières organiques, telles que le fumier, dans de faibles niveaux d'oxygène. Dans de telles conditions, les bactéries utiliseront les nutriments contenus dans le fumier comme source de nourriture et libéreront du méthane et du dioxyde de carbone comme déchets. Ce méthane, appelé biogaz, peut être collecté et utilisé comme source de carburant.

>Conception de véhicules au gaz naturel

Les véhicules au gaz naturel utilisent les mêmes principes de base que les véhicules à essence. En d'autres termes, le carburant (du gaz naturel dans ce cas) est mélangé à de l'air dans le cylindre d'un moteur à quatre temps, puis allumé par une bougie d'allumage pour déplacer un piston de haut en bas. Bien qu'il existe certaines différences entre le gaz naturel et l'essence en termes d'inflammabilité et de températures d'inflammation (voir le tableau ci-dessous), les VGN eux-mêmes fonctionnent selon les mêmes concepts fondamentaux que les véhicules à essence.

Propriété	Gaz naturel	Essence	Gazole
Limites d'inflammabilité (% volumique dans l'air)	5-15	1.4-7.6	0,6-5,5
Allumage automatique Température (^° F)	842	572	446
Pic Flamme Température (^° F)	3423	3591	3729

Pourtant, certaines modifications sont nécessaires pour faire fonctionner efficacement un GNV. Ces changements concernent principalement le réservoir de stockage de carburant, le moteur et le châssis.

Stockage de carburant
La plupart des GNV fonctionnent au gaz naturel comprimé, ce qui réduit l'encombrement du carburant. Dans une station-service, le gaz est comprimé à 3 000-3 600 livres par pouce carré avant d'être pompé dans des cylindres à haute pression en forme de tube qui sont fixés à l'arrière, au toit ou au train de roulement du véhicule. Les réservoirs de stockage des premiers GNV étaient volumineux et occupaient une grande partie de l'espace de chargement du véhicule, mais des cylindres plus récents et plus légers ont été développés. Appelés systèmes de stockage intégrés (ISS), ces cylindres entièrement composites sont contenus dans une coque en fibre de verre et une mousse absorbant les chocs pour les protéger en cas de collision. Les cylindres ont également un diamètre plus petit afin que trois d'entre eux puissent être logés ensemble dans une taille et une forme ressemblant à un réservoir d'essence conventionnel.

Image reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins

Modifications du moteur
Lorsque le moteur d'un GNV est démarré, le gaz naturel s'écoule des bouteilles de stockage dans une conduite de carburant. Près du moteur, le gaz naturel entre dans un régulateur pour réduire la pression. Ensuite, le gaz passe par un système d'injection de carburant gazeux multipoint, qui introduit le carburant dans les cylindres. Des capteurs et des ordinateurs ajustent le mélange carburant-air de sorte que lorsqu'une bougie allume le gaz, il brûle efficacement. Un moteur au gaz naturel comprend également de l'aluminium forgé, des pistons à haute compression, des sièges de soupape d'échappement en nickel-tungstène durcis et un convertisseur catalytique spécifique au méthane.

Photo publiée avec l'aimable autorisation du Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins
Un moteur à gaz naturel installé

Modifications du châssis
Certaines modifications de la suspension d'un GNV peuvent être nécessaires pour créer de l'espace pour les conteneurs de stockage de carburant. À l'arrière du véhicule, une suspension à bras semi-tirés remplace parfois la suspension à bras latéral qui est de série dans de nombreuses voitures à essence. Cela crée plus d'espace ouvert dans le train de roulement arrière, tout en offrant une conduite douce et confortable. Les GNV enlèvent également le pneu de secours et le cric, ce qui permet un plan d'étage plat. Des pneus "Run-flat", tels que les pneus à mobilité étendue de Goodyear Tire, sont installés pour compenser le fait que le pneu de secours et le cric sont manquants.

Photo publiée avec l'aimable autorisation du Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins

Différences de ravitaillement
Faire le plein d'un véhicule au gaz naturel peut aussi être un peu différent. Le point de ravitaillement se trouve généralement à l'avant du véhicule, bien que dans certains GNV, comme la Honda Civic GX, le point de ravitaillement se trouve à l'arrière. Un GNV peut être alimenté à une pompe « à remplissage rapide » à peu près en même temps qu'il faut pour alimenter n'importe quel véhicule à essence ou diesel. Alternativement, un GNV peut être alimenté en cinq à huit heures en utilisant une méthode de «remplissage lent». Les stations de ravitaillement à domicile proposées par Honda sont de type à remplissage lent, ce qui oblige les propriétaires de voitures à faire le plein de leur véhicule pendant la nuit.

Ensuite, nous discuterons des avantages des véhicules au gaz naturel par rapport aux véhicules à essence, ainsi que des inconvénients.

>Avantages et inconvénients

Le plus grand avantage des GNV est qu'ils réduisent les émissions nocives pour l'environnement. Les véhicules au gaz naturel peuvent réduire jusqu'à 93 % les émissions de monoxyde de carbone, 33 % les émissions de divers oxydes d'azote et 50 % les hydrocarbures réactifs par rapport aux véhicules à essence. Les VGN ont également un taux plus élevé d'émissions de particules 10 (PM10). Les particules PM10 transportent et déposent des matières toxiques dans l'air. Les VGN qui fonctionnent dans des applications diesel peuvent réduire les émissions de PM10 d'un facteur 10.

Les véhicules au gaz naturel offrent également ces avantages :

Construire ou acheter Les GNV peuvent être construits à partir de zéro pour inclure les améliorations de conception décrites ci-dessus. Un véhicule au gaz naturel flambant neuf coûte de 4 000 $ à 8 000 $ de plus qu'un véhicule à essence comparable. Il est également possible de modifier les véhicules à essence conventionnels pour qu'ils fonctionnent au gaz naturel. Cela aussi peut être coûteux, les modifications coûtant généralement entre 3 000 et 5 000 dollars. Les véhicules fonctionnant uniquement au gaz naturel sont appelés GNV « dédiés ». Les véhicules pouvant fonctionner à la fois au gaz naturel et à l'essence sont appelés véhicules « bicarburant ». Dans les véhicules bi-carburant, le conducteur peut passer en toute sécurité d'un carburant à un autre tout en conduisant.

Les VGN sont plus sûrs. Les réservoirs de stockage de carburant sur un GNV sont plus épais et plus résistants que les réservoirs d'essence ou de diesel. Il n'y a pas eu de rupture de réservoir de GNV depuis plus de deux ans aux États-Unis.
Les coûts du gaz naturel sont inférieurs à ceux de l'essence. En moyenne, le gaz naturel coûte un tiers moins cher que l'essence à la pompe.
Le gaz naturel est pratique et abondant. Une infrastructure de pipelines bien établie existe aux États-Unis pour livrer du gaz naturel à presque toutes les zones urbaines et à la plupart des zones suburbaines. Il existe plus de 1 300 stations-service GNV aux États-Unis, et d'autres s'ajoutent chaque jour.
Les prix du gaz naturel ont affiché une stabilité significative par rapport aux prix du pétrole. Historiquement, les prix du gaz naturel ont affiché une grande stabilité des prix par rapport aux prix des carburants à base de pétrole. Cette stabilité facilite la planification précise des coûts à long terme.
Les VGN ont des coûts de maintenance inférieurs. Parce que le gaz naturel brûle si proprement, il réduit l'usure du moteur et prolonge le temps entre les mises au point et les vidanges d'huile.

Inconvénients
L'une des plus grandes plaintes concernant les GNV est qu'ils ne sont pas aussi spacieux que les voitures à essence. En effet, les GNV doivent abandonner un précieux espace de chargement et de coffre pour accueillir les cylindres de stockage de carburant. De plus, ces cylindres peuvent être coûteux à concevoir et à construire, ce qui contribue aux coûts globaux plus élevés d'un véhicule au gaz naturel par rapport à une voiture à essence.

Photo publiée avec l'aimable autorisation du Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins
Châssis arrière montrant les cylindres de carburant

Un autre inconvénient est l'autonomie limitée des GNV, qui est généralement d'environ la moitié de celle d'un véhicule à essence. Par exemple, la Civic au gaz naturel de Honda, la Civic GX, peut parcourir jusqu'à 220 milles sans faire le plein. Une Civic à essence typique peut parcourir environ 350 milles sans faire le plein. Si un GNV dédié tombait en panne de carburant sur la route, il devrait être remorqué jusqu'au domicile du propriétaire ou jusqu'à une station de ravitaillement en gaz naturel locale, ce qui pourrait être plus difficile à trouver qu'une station-service "ordinaire".

Enfin, il convient de noter que le gaz naturel, comme l'essence, est un combustible fossile et ne peut être considéré comme une ressource renouvelable. Si les réserves de gaz naturel aux États-Unis sont encore considérables, elles ne sont pas inépuisables. Certains prédisent qu'il reste suffisamment de réserves de gaz naturel pour durer encore 67,1 ans, en supposant que le niveau de production de 2003 se maintienne.

Malgré certains des avantages offerts par les GNV, ils sont encore relativement peu répandus. Selon la Natural Gas Coalition, il y a actuellement 130 000 GNV en circulation aux États-Unis aujourd'hui et plus de 2,5 millions dans le monde. Pour mettre cela en perspective, considérons qu'il y avait 142,5 millions de véhicules immatriculés en 2001, ce qui signifie que les véhicules à essence sont plus nombreux que les VGN près de 1 100 contre un aux États-Unis. Et pourtant, plus de 40 constructeurs différents, dont Ford, General Motors, Toyota et Volvo, produisent actuellement des GNV.

Photo courtoisie Honda
L'appareil de ravitaillement domestique Phill

Honda et DaimlerChrysler sont deux constructeurs automobiles à la pointe de la conception et de l'ingénierie du GNV. Honda est le premier constructeur à proposer un GNV au détail - la berline Honda Civic GX, qui est également livrée avec une station de ravitaillement à domicile que la société a surnommée "Phill". La Civic GX est une GNV dédiée, ce qui signifie qu'elle ne peut fonctionner qu'au gaz naturel. DaimlerChrysler fabrique une Mercedes de classe E qui fonctionne à la fois à l'essence et au gaz naturel. Il reçoit une classification de "NGT", qui signifie "Technologie du gaz naturel", et peut parcourir 621 miles avec un seul ravitaillement - 186 miles en utilisant du gaz naturel et 435 miles en utilisant de l'essence.

Alors que des véhicules tels que la Civic GX et la E 200 NGT ne sont disponibles que sur des marchés très limités (le premier dans certains États occidentaux, le second en Europe), les VGN devraient devenir plus largement disponibles pour les consommateurs au cours des deux prochaines décennies, en particulier que le prix du pétrole continue d'augmenter. Lorsque cela se produira, être vert sera un peu plus facile.

Pour plus d'informations sur les véhicules au gaz naturel et les sujets connexes, consultez les liens à la page suivante.

Flottes GNV Les flottes à forte consommation de carburant qui parcourent de nombreux kilomètres chaque jour utilisent le gaz naturel depuis des années. Cela comprendrait des flottes de taxis, d'autobus de transport en commun et scolaires, de navettes aéroportuaires, de véhicules de construction, de camions à ordures, de camions de livraison et de véhicules de travaux publics. Pourquoi les flottes sont-elles particulièrement adaptées au gaz naturel ? Premièrement, le plus grand volume de véhicules rend plus économique la conversion de véhicules ou leur achat pur et simple. Mais plus important encore, les véhicules de la flotte sont entretenus de manière centralisée, ce qui rend le processus de ravitaillement pratique et fiable.

De nombreux camions et autobus long-courriers roulent avec une autre forme de gaz naturel appelé gaz naturel liquéfié ou GNL. Le GNL est fabriqué en réfrigérant du gaz naturel à -260 °F, en le condensant en un liquide. La forme liquide est beaucoup plus dense et a donc plus d'énergie potentielle pour la quantité d'espace qu'elle occupe. Cela signifie que plus d'énergie peut être stockée dans la même quantité d'espace sur une voiture ou un camion.

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MerciMerci à Jeff Beckman pour son aide dans cet article.