Automobile Air-conditioning - Its Energy and Environmental Impac
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__--R040336 9 Automobile Air-conditionin g Its Energy and Environmental Impac t Stéphane BARBUSSE • Laurent GAGNEPAIN Over the last three decades, automobile manufacturers have made a lot of progress i n specific fuel consumption and engine emissions of pollutants . Yet the impact of these improve- ments on vehicle consumption has been limited by increased dynamic performances (maxi - mum speed, torque), increased safety (power steering and power brakes) and increase d comfort (noise and vibration reduction, electric windows and thermal comfort) . Because of this, the real CO2-emission levels in vehicles is still high in a context where road transport is a major factor in the balance sheet of greenhouse gas emissions, thus in complying with the inter - national climate convention. Although European, Japanese and Korean manufacturers signed an importan t agreement with the European Commission for voluntarily reducing CO 2 emissions from their vehicles, with a weighted average emission goal by sales of 140 grams per km on the MVE G approval cycle by 2008, it has to be noted that the European procedures for measuring fue l consumption and CO 2 emissions do not take accessories into account, especially air-condition- ing (A/C). The big dissemination of this equipment—recognized as a big energy consumer and a s using a refrigerant with a high global warming potential—led ADEME to implement a set of assessments of AICs energy and environmental impact. In particular these assessments includ e studies of vehicle equipment rates, analyses of impact on fuel consumption as well as regulate d pollutant emissions in the exhaust, a characterization of the refrigerant leakage levels and a n estimate of greenhouse gas emissions for all air-conditioned vehicles . This leaflet summarizes the results of these actions . All of these studies and additional data are presented in greater detail in the document, "Automobile Air-conditioning" (ADEME reference no . 4985 – 23 €) . ADEM E TRANSPORT TECHNOLOGIES DEPARTMENT
■ A s7inunary of the etWitatiorls carried omi t Air-conditioning distribution scales The rate of air-conditioning in new vehicle s This distribution in sales has a direct conse- increased in France from under 15% in 1995 t o quence, i .e . the air-conditioned fleet of vehicles i s over 60% by 2000 . This trend, begun as standar d growing significantly . equipment on high- and middle-range vehicle s and as an optional promotional offer (as little a s 7"'/.7e fleet 1 euro!) in smaller sized vehicles, will continue i n The evolutionary outlook carried out b y the coming years . This expansion in annual sales is ADEME, according to the present growt h continuing with about 70% penetration of thi s hypotheses of the French automobile fleet an d accessory in both France and Europe for 2003 . according to the "distribution law" given above , Progressive saturation is expected according to a n leads to an evaluation of over 20 .7 million units "S curve", shown in the following graph, i .e . it is in the fleet by 2010 (2 of every 3 operating vehi- more than likely that the air-conditioning rate wil l cles will be air-conditioned!), then 30 .5 million settle down at over 90% by 2010, reaching the dis- A/C equipped vehicles by 2020, i .e . nearly 88% tribution levels seen for the past years in Japa n (nearly 9 vehicles of every 10 will be fitted out!) , and the United States . as shown in the following graph . The evolving rate of new vehicles equippe d with air-conditioning 100% The evolving number of air6conditioned vehicle s • in the French passenger car fleet (in thousands of vehicles ) • 40,000 35,000 N t S 30,000 t L, 25,000 Zi t X fi t e, U 20,000 ~c~♦ â 15,00 0 â 10,00 0 5,000 Europe N v V 0 1955 1990 1995 2000 2005 2010 Fuel over-consumptio n To study the effect on consumption of fue l The general observations on the second mea- used by automobile air-conditioning, over the pas t surement campaign are of a higher average over- few years ADEME carried out two test campaign s consumption than in the first campaign (partly du e on market-representative vehicles and is presently to a hardening of the MVEG cycle), a tightening o f continuing its evaluation with the implementation over-consumption values for gasoline and diese l of a new measurement campaign . The tests carried (about 3 .2 1/100 km in the urban cycle) and a con - out in 1997 with UTAC used 20 vehicles and fol- firmation of poor performances by turbo-charge d lowed on the initial evaluations done in 1996 , diesel vehicles . Moreover we note that over-con- which revealed considerable over-consumption sumption is clearly higher for the urban part of th e (cf. ADEME summary, ref . 2471 – July, 1996) . MVEG cycle than for the extra-urban cycle .
In the following table you have the main over- NB : these results were obtained through tests consumption values according to the test cycle : in a climate-controlled enclosure for measurin g Over-consumption in 1/100 k m fuel consumption and pollutant emissions on a (% variations in parentheses ) dynamometer . This measurement cell makes i t Urban Extra-urban Mixed cycle cycle cycl e possible to control the ambient air temperature (ECE) (EUDC) (MVEG ) (here 30'Q and the hygrometrics (here 50% rela- Gasolin e +3 .1 (+31%) +0.9(+16%) +1 .7(+23%) tive humidity), but does not contain a sunshin e (average of 10 vehicles) apparatus or ensure airflow around the vehicle a s Natural aspiration +2.4(+26%) +0 .7(+12%) +13 (+19%) might be the case with a climatic wind tunnel . Turbo-charged diesel +4.0(+43%) +1 .5(+28%) +2.5(+36%) Because of this, the test conditions of the air-con- All diese l (average of 10 vehicles) +3.2(+35%) +1 .1 (+20%) +1 .9(+27%) ditioning system should be considered as not very Ext temp . = 30°C, Set temp. = 20°C, test on NMVEG cycle, cf. Dir. 98169. harsh (30°C, 50% RH, no sun) . Average over-consumption in 1/100 km between the test with A/C on and off Over-emissions of regulated pollutants (CO, HC, NOx and particulates ) The results shown hereafter were obtained by of engine and the part of the test cycle assessed : using a measurement dynamometer on the modi- fied bases of directive 98/69 (the modified MVE G CO HC NOx Particulates cycle, canceling the first 40 seconds of cold idle) . Gasolin e Although the values obtained are on the whole Urban +17% -0 +74% — higher than for the first campaign (because o f Extra-urban +75% -0 +51% — making the test cycle harder), the observed trend s Diese l (especially relatively) are confirmed with a n Urban -30% -24% +47% +60% increase of pollutants CO, NOx for gasoline an d Extra-urban -28% -23% +27% +32 % NOx and particulates for diesel . Ext temp . = 30°C, Set temp. = 20°C, test according to Dir. 98169— new MVEG cycle. The effects contained in the following tabl e Average pollutant emissions measured in g/km can be noted according to the pollutant, the type % spread between A/C on and off Refrigerant los s Automobile air-conditioning systems becaus e combustion engine implies using a shaft seal , of their design have a big drawback in terms o f which is a major source of refrigerant loss . greenhouse gas emissions : This architectural design requires careful main- • they use refrigerants (HFC : hydrofluorocarbons) , tenance and means using and handling larg e the emissions of which have high impact on th e quantities of refrigerants (production, recovery, increase of greenhouse effect, i .e . the globa l recycling and disposal) . warming potential (GWP) of HFC-134a , presently used in automobile air-conditioning, i s So as to make it possible to better understand 1,300, which means that 1 kg of this HFC emit - the nature of escaping refrigerant emissions an d ted into the atmosphere has the same impact a s to provide the possibility of listing the hierarch y 1 .3 tons of CO2 ! of the responsibilities of various components, the n suggesting ways of limiting them, a set of action s • the constraints of placing devices under th e hood imply using flexible linking elements , aimed at characterizing the emissions linked t o which pose not-insignificant problems of poros - leaks of the air-conditioning systems has bee n ity and permeability, not to mention imperfec t implemented by ADEME . refrigerant-tightness at the connections ; An assessment of the emission levels of th e • to keep the fluid in a closed circuit, driving th e hoses and the connections on the one hand and air-conditioning compressor by the internal of the mechanical air-conditioning compressor on
the other, has been successfully carried out by th e • for other compressors, the aging effect is clearl y Centre d'énergétique (Center for Energy Studies) characteristic since the estimated leakage rate s of the Ecole des Mines de Paris . can vary from 15 g to 60 g/yr ., or ten-fold in rela- tion to the emissions of new compressors unde r these conditions . Rubber, boses and connection s Refrigerant-tightness test on 4 "new" compressors A dedicated test bench made it possible t o in rotatio n characterize a series of components and to high - 6 7.3 5.6 light the importance of component design fo r their refrigerant-tightness, i .e . a range of 1 to 9 was recorded on 4 rubber hoses studied and from 1 to 20 on several connections, for which leakag e volumes are nonetheless lower . According to th e various leakage volume levels observed during these test campaigns, what can be retained , according to the test pressure conditions, is tha t new components have leakage volumes betwee n 0 1 g/yr. and 20 g/yr . rpm 1,500 2,OOD 2,500 1,500 2,000 2,500 500 I$00 2,500 2,500 3,500 2,500 3,5DO _., 2,500 3,500 2,500 3,500 1,500 2,500 __J no.2 no.2 no .2 no.3 on.3 .-4 -no no.4 w. 5 2 bars 2 .5 bars 2.9 bars 2 .9 bars 4 bars 2.9 bus 4 bars 2 .9 bar s 77.-)e shaft seal of Me air=conditionin g Refrigerant-tightness test on 6 "used" compressor s corepresso r in rotation 20 20 A dedicated test bench also made it possible 18 to measure the leakage rates of two categorie s 16 of compressors of different brands and types fo r T 14 varied operating conditions (in rotation, shu t ~1 2 down and at different pressures of R134a in th e v C2 1 0 compressor) : ~s U • new or practically new compressors (compres- 6 sors having been in operation for a few hundre d 4 hours for less than 6 months) ; 0 1 ~500 • and used compressors, taken from circulatin g rpm 2,500 2,500 2,500 2,500 2,$X) 500 750 750 no. 6 no. 7 no. B no. 9 no. 10 m. 1 1 vehicles, supplied by the VALEO CLIM Servic e 19 bars company . We give the main lessons from this research belo w Total air-conditioning loop Static mode tests, not illustrated in the presen t The following elements may be kept in min d document, show that the emission levels occur from these assessment campaigns : between 0 .2 and 5 g/yr., depending on the com- • with the technology available on the marke t pressor, for moderated test pressures and becom e today, it is possible to design automobile air- very high, even unacceptable (several hundreds o f conditioning systems that emit about 10 g/yr . ; grams per year) for some compressors under stron g • numerous current automobile air-conditioning test pressure . systems can have typical leakage rates of fro m Dynamic mode tests (in rotation), shown below , 10 to 70 g/yr. also give contrasting response "profiles", mos t especially with used compressors . These conclusions plead in favor of making a n effort in the design and/or selection of high-per- The leakage rate measured for "new" compres- formance components . They also shed light o n sors is located between 1 g/ yr. to 6 g/yr., depending the fact that in addition to the necessary action o f on the rotary regime and the fluid pressure . Fo r recovering HFCs during servicing and at end-of- "used" compressors with typical operating pressure s life, a possibility exists of eventually marketin g of 2 .9 bars, tests showed two kinds of behavior: "filled for life" air-conditioning systems, whic h • some compressors have similar emission levels t o would make the problem of the present uneve n those of new compressors with 2 .5 to 5 g/yr . ; quality of servicing become less acute .
The current annual loss of refrigerants - What order of magnitude ? Based on the present average capacity of automobile air-conditioning systems, i .e . 775 g of HFC- 134a (the capacity varying from 650 g to 900 g depending on the size and power of the air-condi- tioned vehicle) and for a 12-year life expectancy of the vehicle with the two final years withou t maintenance, the following assessment elements have been noted : - 15% annual leakage emissions, or 116 g/yr . ; - mass loss at servicing: 2 half charges, or 775 g/10 yrs . ; - charge emitted at end-of-life : a half charge, or 387 g/10 yrs . On the vehicle's balance sheet it must be verified that an emission of 232 g/yr . of HFC-134a , or 30% of the initial charge, is obtained . For an optimistic improvement scenario for the three previous elements : annual leakage (limite d to 10%), servicing and end-of-life (20% of a half-charge for each), the total annual emission could b e limited to 93 g/yr. of HFC-134a . Nonetheless, such a release into the atmosphere represents a n equivalent emission of 120 kg of CO2 per year, or 10 g/km for a vehicle traveling 12,000 km/yr . Thi s value is not insignificant in relation to the average conventional emissions of new vehicles in 2002 , i .e . 155 g/km of CO2 . Global impact in terms of the greenhouse effec t Given the knowledge acquired about over-con- of CO2 equivalents . For 1995, the impact obtaine d sumption and the levels of refrigerant emissions was about 2 Mt of CO 2 , including 100 Kt for end- through poor refrigerant-tightness, incidents, ser- of-life, then, for the estimate up to 2010, abou t vicing and end-of-life non-recovery, it becomes 4 .4 Mt of CO 2 and 0 .9 Mt of CO 2 for end-of-life ; interesting to assess the impact of the spread of by the end of the study period in 2020, impac t automobile air-conditioning in the automobil e reached 3 .6 Mt of CO 2 and 1 .6 Mt of CO 2 fo r fleets in terms of the greenhouse effect, i .e . t o end-of-life . evaluate the quantity of CO 2 (or CO 2 equivalents ) Moreover an evaluation of the impact of usin g ejected into the atmosphere, attributable to th e HFC by activity sector in terms of CO2 emissions presence of air-conditioning in automobiles o n was carried out by the Centre d'énergétique d e both the French and European levels . l'Ecole des Mines de Paris within the framework of the brainstorming by the "Fluorinated gases " Fizinc e working group within the French Interministeria l A simulation based on the forecast scenarios o f Mission on the Greenhouse Effect (MIES) . Fo r air-conditioning in the automobile fleet and on th e automobile air-conditioning, this study supplies evolution of this same fleet, with the intention of evaluations of CO 2 emissions of an order of mag- estimating the quantities of CO2 emissions (direc t nitude in tune with the above-mentioned ADEM E or indirect), was carried out by ADEME for Franc e simulation . It also gives access to an estimate o f between 2000 and 2020 . the foreseeable gain potential of CO 2 according to For that, values of estimated annual refrigeran t the efforts carried out on the aspects of the A/ C system's technological quality, servicing phase s loss were required in parallel with the scenario s of fleet evolution . The following hypotheses wer e and end-of-life . retained : 30% loss per year (including operations , This study's estimates of the impact of usin g servicing and end-of-life) for systems put in ser - air-conditioning lead to the following responsibil- vice since 1995, then improvement of refrigerant - ity levels for France : 4 to 4 .5 million tons of CO 2 tightness after 2000, reducing this loss to abou t equivalents up to 2010 . This highlights the exis- 20% of the charge, then 10% after 2010 . Thes e tence of a considerable repository of savings (u p estimates led to a high estimation of the impact o f to -3 Mt CO2 eq .) if determined actions for limit- the spread of automobile air-conditioning in terms ing emissions are imposed, as the following graph
shows, where 3 scenarios for action are simulated : recovery at servicing . - Scenario 1 : business as usual . - Scenario 3 : improved refrigerant tightness + - Scenario 2 : improved refrigerant tightness + recovery at servicing + recovery at end-of-life . Emissions of R134a in CO 2 equivalent of automobile air-conditioning systems in thousands oftons 4,500-1 4,00 0 3,500 3,000 2,500 2,000 1 .50 0 1,000 500 0 12 77îe Eut-opectn Union - Potenticil of C(? .> emissions lintitcttio n Within the framework of the work by the Euro- • the second corresponds to an effort to improv e pean Climate Change Program (ECCP), ADEM E the energy performances of air-conditioning sys- has carried out an evaluation of what's at stake i n tems (the "efficient air-conditioning" scenario) . limiting automobile air-conditioning-related CO 2 The calculations of CO 2 emissions of just th e emissions on a European scale . air-conditioned vehicles with the A/C on leads b y It should be noted that the voluntary accord o f comparison to possible CO2 savings between the European Automobile Manufacturers Associatio n "BAU" scenario and the "efficient air-conditioning " (ACEA) and the goal of the European Union on scenario . A cumulative C O2 emission reduction of CO 2 emissions from vehicles (140 g/km by 2008 ; 10 Mt is obtained for 2008 and 31 Mt for 2012 for 120 g/km by 2012) do not at present include the this measurement dealing only with the energy use of auxiliary equipment . efficiency aspect of air-conditioning systems . Th e following graph illustrates these data : ADEME's evaluation factored in the two kinds of direct and indirect greenhouse gas effect (th e loss of refrigerants and fuel over-consumptio n CO2 savings-improved A1C Annual Cumulative respectively) . Kt CO2 Kt CO 2 8,000 3,500 For fuel considerations, to the average evolu- 7,000 Annual CO2 savings with improved A/C 31 .3 3,000 tion of fuel consumption expressed in CO 2 g/k m ■ Cumulative CO 2 savings with improved A/ C of the conventional scenario (the Europea n 6'000 2,500 Union—European Automobile Manufacturer s 5,000 accord, "EU-ACEA", on reducing vehicle con- z,000 sumption : goals without factoring in auxiliary 4,000 equipment, 140 g/km of CO 2 by 2008, 120 g/km } —1,500 3,000 by 2012) we applied factors of over-consumptio n 10 .01 _ 1,00 0 due to functioning air-conditioning for tw o z,00 0 hypotheses : 1,000 _ 500 • the first corresponds to the usual technologica l evolution of air-conditioning (the "Business A s o~ . 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 201 2 Usual" scenario) . 11 1 6 III
To evaluate what's at stake in limiting refriger- lative CO2 eq . emission reduction of 11 .3 Mt CO 2 ant emissions, we carried out a comparison o f for 2008 and 37 .4 Mt for 2012 is obtained for this HFC emissions (then CO 2 via the Global Warmin g measurement dealing with the fluid sector : Potential, GWP, of the refrigerant) between tw o CO2 savings-improved A/ C Annua l Cumulative scenarios : Kt CO 2 Kt CO2 10,000 - 40,000 • one, as with over-consumption, correspondin g 37.4 - to a normal technological evolution of the sys- 9,000— Kt CO2/year saving s tems ("BAU") ; ■ Cumulative Kt CO 2 savings 30,000 8,000 • the other corresponding to an effort on th e 7,000 refrigerant-tightness aspect of the A/C loop an d 20,000 the recovery operations during servicing and a t 6,000 end-of-life ("improved HFC emission levels") . 5,000 10,00 0 In both cases we are interested in new vehi- 4,000 11 .3 cles introduced into the automobile fleet startin g 2,00 0 5,00 0 in 2000, then taking their survival in the fleet int o account (and thus vehicles removed) and their ini- 1,000 - tial emissions levels . By limiting HFC loss a cumu- 0 1 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 201 2 ADEME's work presented above was included in the European Program for Preventing Climate Chang e Long Report (ECCP–Long Report*), which defines for the Commission the greenhouse gas limiting strate- gies . A reduction potential of from 2 to 4 Mt CO2/yr. has been identified for automobile air-conditioning , and ultimately including the operation of this equipment in the certification tests of vehicles is foreseen . ' ECCP-Long Report, June, 2001 - http ://europa .eu .int/comm/environment/climat/eccp .htm Excerpt from the final "ECCP-Long Report", June, 200 1 Potential for CO 2 savings : possibly 2 to 4 Mt/yr Air-conditioning in new cars is rapidlypenetrating the market. The share of new cars equipped with air-conditioning is expected to rise from 20% to nearly 100% over the next decade . An impact on th e emission of greenhouse gases can arise either through increased fuel consumption or the release o f fluorinated gases . The increase offuel consumption is estimated to be about 5% on average according to various detailed studies . During the next decade more efficient air-conditioning systems are expected to be introduced on vehicles to minimize the impact on greenbousegas emissions. The Commission services are also considering appropriate steps to include air-conditioning systems in mandatory vehicle testing .
■ Conchis i on/Outlook Given the results on over-consumption an d sector for present air-conditioning systems usin g over-emissions of the pollutants induced by air - R134a ; conditioning, the energy efficiency of the refriger- - developing a measurement methodology fo r ation loop must be improved . As an example, w e the regulatory factoring in of air-conditionin g can note than an optimized external control com- energy consumption in the certification proce- pressor ought to make it possible to reduce over - dures of new vehicles . consumption up to twofold . Moreover, give n In this sense and in continuity with the evalua- R134a refrigerant leaks throughout the whole life - tions presented in this leaflet and given in greate r cycle of an air-conditioning system, actions must detail in "Automobile Air-conditioning" (ADEM E be carried out to limit them and to examine ne w reference 4985 - 23 €), the Agency is presentl y refrigerants with a low global warming potentia l participating in new studies that correspond t o for the atmosphere . those avenues already cited, such as : It is thus important to implement two sorts o f - "the in-put of the compressor's external control" , action as soon as possible : - "air-conditioning in hybrid vehicles" ; • Research activities aimed at : - "the pre-conditioning of the vehicle" ; - improving the energy efficiency of air-condi- - "reversible air-conditioning operating with CO 2 " ; tioning systems ; - "studying refrigerant blends of HFC and CO 2 " ; - reducing the demanded refrigerating power by optimizing the vehicle's thermics and by activ e - "the methodology of measuring air-conditionin g or passive pre-conditioning at a stop ; consumption" ; - reinforcing the refrigerant-tightness of the A/ C - "brainstorming on a European-wide level abou t loop operating with HFC-R134a ; maintaining the R134a process" ; - perfecting and developing systems operatin g - "real-use measurements on instrumented vehi- with new refrigerants (hydrocarbons, CO 2 , cles" . HFC/CO 2 blends, etc .) . The findings of this work will be part of a ne w • regulatory actions : synthesis that will include the data from an up - - regulating and creating an efficient recovery coming campaign of vehicle tests . s ADEM E Agence de l ' Environnement et de la Maîtrise de l ' Énergi e Département Technologies des Transport s 500, route des Lucioles - 06560 Valbonne
La climatisation automobil e Impact énergétique et environnementa l Stéphane BARBUSSE • Laurent GAGNEPAI N Durant les trois dernières décennies, les constructeurs automobiles ont réalisé d'impor- tants progrès sur la consommation spécifique de carburant et les émissions de polluants du moteur. Cependant, l'impact de ces améliorations sur la consommation des véhicules a été limité par l'accroissement des performances dynamiques (vitesse maximale, couple), des pres- tations de sécurité (direction et freinage assisté ou intelligent) ou de confort (réduction de s bruits et vibrations, lève-vitres et confort thermique) . De ce fait, le niveau réel de rejets de CO2 des véhicules est encore élevé, dans un contexte où les transports routiers ont une grande res- ponsabilité dans le bilan des émissions de gaz à effet de serre, et donc dans le respect de l a convention internationale sur le climat . Bien que les constructeurs européens, japonais et coréens aient signé un accord impor- tant avec la Commission européenne sur la réduction volontaire des émissions de CO 2 de leurs véhicules, avec un objectif d'émission moyenne pondérée par les ventes de 140 grammes pa r km sur le cycle d'homologation MVEG en 2008, il convient de noter que les procédures euro- péennes de mesure des consommations et des rejets de CO 2 ne prennent pas en compte le fonc- tionnement des auxiliaires, notamment celui de la climatisation . L'essor de cet équipement, reconnu comme étant très consommateur d'énergie e t employant un fluide frigorigène à fort potentiel de réchauffement de l'atmosphère, a condui t 'ADEME à mettre en place une série d'actions d'évaluation de son impact énergétique et envi- ronnemental . Elles comportent notamment l'étude du taux d'équipement des véhicules, l'ana - lyse des effets sur la consommation de carburant, ainsi que sur les rejets de polluant s réglementés à l'échappement, la caractérisation des niveaux de fuite en fluide frigorigène, pui s l'estimation des rejets de gaz à effet de serre de l'ensemble des véhicules climatisés . Cette plaquette présente une synthèse des résultats de ces actions . L'ensemble de ces études, ainsi que des données complémentaires sont présentés plus en détail dans l'ouvrage "La climati- sation automobile" (référence ADEME 4343 — 23 €) • ADEM E DÉPARTEMENT TECHNOLOGIES DES TRANSPORTS
Diffusion de la climatisatio n antes 2010, atteignant les niveaux de diffusion observé s depuis quelques années au japon et aux États-Unis . Le taux d'équipement des véhicules neufs a cru e n France de moins de 15 % en 1995 à plus de 60 % e n Cette diffusion dans les ventes induit une consé- l'an 2000 . Ce mouvement, amorcé par une diffusio n quence directe : la proportion du parc climatisé croît en série sur les véhicules haut de gamme et milie u de manière significative ! de gamme et en option par offres promotionnelle s ( . . . jusqu'à la clim . à 1 €! . . .) pour des véhicules d e Parc taille moindre, se maintiendra dans les prochaine s La perspective d'évolution effectuée par l'ADEME , années . Cette expansion dans les ventes annuelles s e selon les hypothèses actuelles de croissance d u poursuit actuellement avec une pénétration de c e parc automobile français et selon la "loi de diffu- système, en France comme en Europe, de l'ordre d e sion" présentée plus haut, conduit à une évalua - 70 % pour 2003 . Une saturation progressive, selo n tion de plus de 20,7 millions d'unités dans le par c une "loi en S", illustrée dans le graphique ci-après es t en 2010 (2 véhicules en circulation sur 3 seron t attendue : selon toute vraisemblance le taux d'équi- alors climatisés !) puis de 30,5 millions de véhi- pement s'établira au-delà de 90 % à compter de l'a n cules équipés à l'horizon 2020, soit près de 88 % (près de 9 véhicules sur 10 équipés !), comm e Évolution du taux d'équipement des véhicules neufs l'illustre le graphique suivant . en climatisation automobile 100%_ - 9o0 + + Évolution du nombre de véhicules climatisé s du parc de véhicules légers français (en milliers de véhicules ) 80%] 40000 r 35000 — i ~ Â 30000 ' C Zo £ parc 25000 4~ a a ô 20000 — a~ 3 PF a 15000 — 10000 — 5000 — Europe 0 1985 1990 1995 2000 2005 2010 201 5 Surconsommation de carburan t Afin d'étudier l'effet sur la consommation de carbu- Les constats généraux sur la deuxième campagne d e rant de l'utilisation de la climatisation automobile , mesures sont une surconsommation moyenne plu s l'ADEME a mis en place au cours des dernière s élevée que lors de la lm campagne (en partie due a u années deux campagnes d'essais sur des véhicule s durcissement du cycle MVEG), un resserrement de s représentatifs du marché et poursuit actuellement so n valeurs de surconsommations pour les essence e t évaluation avec la mise en place d'une nouvelle cam - Diesel (autour de 3,2 1/100 km en urbain), ainsi qu e pagne de mesures . Les tests conduits en 1997 auprè s la confirmation des mauvaises performances de s de l'UTAC portaient sur 20 véhicules ; ils faisaien t Diesel suralimentés . De même, on peut noter qu e suite aux premières évaluations, menées en 1996, qu i les surconsommations sont nettement plus élevée s avaient révélé des surconsommations importante s pour la partie urbaine que pour la partie extra - (cf. synthèse ADEME, réf. 2471 — juillet 1996) . urbaine du cycle MVEG . II I 2 III
Voici, sous forme de tableau, les principales valeur s Note : ces résultats ont été obtenus au moyen d'es- de surconsommation selon le cycle d'essais : sais en enceinte climatique pour mesure sur banc à Surconsommation en 1/100 k m rouleaux des consommations de carburant et d'émis- (entre parenthèses variation en % ) sions de polluants . Cette cellule de mesure perme t Cycle Cycle Cycl e extra-urbain mixte un contrôle de température de l'air ambiant (ic i urbain (ECE) (EUDC) (MVEG ) 30 °C) et d'hygrométrie (ici 50 % d'humidité relative) , + 3,1 (+ 31 %) + 0,9 (+ 16 %) + 1,7 (+ 23 % ) mais ne dispose pas de dispositif d'ensoleillement , (moyenne 10 véhicules) ni n'assure un écoulement d'air autour du véhicul e , i atmosphérigE + 2,4 (+ 26 %) + 0,7 (+ 12 %) + 1,3 (+ 19 %) ......... comme cela peut être le cas pour une soufflerie cli- - i stil suralimenté + 4,0 (+ 43 %) + 1,5 (+ 28 %) + 2,5 (+ 36 %) Diesel) matique. De ce fait, les conditions d'essais du sys- tème de climatisation doivent être considérée s (moyenne 10 véhicules) + 3,2 (+ 35 %) + 1,1 (+ 20 %) + 1,9 (+ 27 %) comme peu sévères (30 °C, 50 %HR, pas de soleil) . T extérieure = 30 °C,T consigne = 20 °C, essai sur cycle NMVEG cf Dir. 98/69 . Surconsommations moyennes en 1/100 k m entre l'essai climatisation en marche et sans climatisation Surémission de polluants réglementés (CO, HC, NOx et particules) Les résultats exposés ci-après ont été obtenus pa r tableau ci-après selon le polluant, le type de motori- mesures sur banc à rouleaux, sur les bases modi- sation et la partie du cycle d'essais considérés : fiées de la directive 98/69 (cycle MVEG modifi é CO HC NOx Particules supprimant les 40 premières secondes de ralenti à Essence froid) . Si les valeurs obtenues sont, dans l'ensemble , Urbain + 17% -0 +74% — plus élevées que lors de la lre campagne (du fait d e Extra-Urbain +75% -0 +51 % — la sévérisation du cycle d'essais), les tendance s C3is_ . observées (notamment en relatif) se confirment avec Urbain -30% -24% +47% +60 % une augmentation des polluants CO, NOx pour le s Extra-Urbain -28% -23% +27% +32 % essence et des polluants NOx, Particules pour le s T extérieure = 30 °C, T consigne = 20 °C, essai selon Directive 98169 — nouveau cycle MVEG. Diesel . Émissions moyennes de polluants mesurés en g/k m On pourra retenir les impacts figurant dans le Écart en Y. entre essai climatisation en marche et sans climatisatio n Pertes de fluides frigorigèll : -s Les systèmes d'air conditionné automobile possèden t le fluide en circuit fermé, l'emploi d'un joint tour- un inconvénient fort, de par leur conception, e n nant, source d'une grande partie des pertes de fluide . termes de rejets de gaz à effet de serre : Cette conception architecturale impose une main- ils utilisent des fluides frigorigènes (HFC : hydro- tenance rapprochée et entraîne l'utilisation et l e fluorocarbone), dont les rejets possèdent u n maniement de grandes quantités de fluide frigori- impact très fort sur l'accroissement de l'effet d e gène (production, récupération, recyclage et élimi- serre : le pouvoir de réchauffement global (PR G nation) . ou GWP pour Global Warming Potential) de l'HF C "R134a", actuellement utilisé en climatisation auto - Afin de permettre une meilleure compréhension des mobile, est de 1300 ce qui signifie que 1 kg de natures des émissions fugitives de fluides frigori- ce HFC émis à l'atmosphère a autant d'effet que gènes et d'offrir la possibilité de hiérarchiser les res- 1,3 tonne de CO 2 ! ponsabilités de différents composants, puis d e proposer des axes de limitation, un ensemble d'ac- les contraintes d'implantation sous capot suppo- tions visant à caractériser les émissions liées au x sent l'emploi d'éléments de liaisons flexibles , sources de problèmes non négligeables de poro- fuites des systèmes de climatisation a été mis e n place par l'ADEME . sité et de perméabilité, ainsi que d'étanchéité non parfaite aux raccords ; Ainsi, une évaluation des niveaux de rejets de s l'entraînement du compresseur de la climatisation composants "flexibles" et "raccords" d'une part, d u par le moteur thermique implique, pour maintenir "compresseur mécanique de climatisation" d'autre il l 3
part, a pu être menée à bien par le Centre d'énergé- pour d'autres compresseurs, l'effet du vieillisse - tique de l'École des Mines de Paris . ment est nettement caractérisé, puisque les débit s de fuites estimés atteignent alors 15 g à 60 g/an , soit un facteur 10 par rapport aux émissions des Flexible ,, 'reeor€ ' compresseurs neufs dans ces conditions . Un banc d'essai spécifique a permis de caractérise r ,sai d'étanchéité en rotatio n une série de composants et de mettre en évidenc e aur 4 compresseurs "neufs " l'importance de la conception des composants su r 6 _-7,3 —S leur étanchéité : un écart de 1 à 9 a été enregistr é b 5 ~..~..~._ _ _ _. _ ._ sur 4 flexibles étudiés et de 1 à 20 sur plusieurs rac- 4,7 46 cords, pour lesquels les débits de fuites sont toute - c fois plus faibles . On peut retenir que, d'après le s v 3,4 différents niveaux de débits de fuite constatés duran t 3 3 2,8 ,. ,_ ... ces campagnes d'essais, selon les conditions de pres- ~6 â~4 2 1,6 1 5 sion d'essais, les composants neufs possèdent des ~13 1 pl7 - émissions fugitives se situant entre 1 g/an et 20 g/an . e o Compresseur de c1imatis,rtio n trrmn 1500 2000 250(1 1500 2000 2500 500 1500 2500 2500 3500 2500 3500 2500 35(X1 2500 3500 1500 250 0 Joint tournant n'2 n'2 n' 2 n'3 n'3 n'4 n'4 n' 5 2 bars 2,5 bars 2,9 bars e bars 4 bus 49 bars 4 bars 2,9 bars Un banc spécifique a également permis la mesure de s Essai d'étanchéité en rotatio n débits de fuites sur deux catégories de compresseurs sur 6 compresseurs "usagés" de marque et de type différents, pour des conditions 20 20 de fonctionnement variées (rotation, arrêt et diffé- 18 rentes pressions de R134a dans le compresseur) : 16 des compresseurs à l'état neuf ou quasi-neu f r 14 ~1 2 (compresseurs ayant fonctionné pendant quelque s v ,2 1 0 centaines d'heures durant moins de 6 mois) ; b 8 et des compresseurs usagés, démontés sur de s Q 6 véhicules en circulation, fournis par la sociét é 4 VALEO CLIM Service . 2 0 Nous reportons ci-après les principaux enseigne- tr/mn û û 2500 i 2500 2500 i 500 750 500 750 n' 6 n' 7 n' 8 n° 9 n' 10 n' 1 1 ments de ces investigations . 2,9 bar s Les essais en mode statique, non illustrés dans le pré - sent document, ont montré que les niveaux de rejet s Boucle de climatisation complrite évoluent entre 0,2 à 5 g/an, selon le compresseur, On peut retenir de ces campagnes d'évaluation le s pour des pressions d'essais modérées et deviennen t éléments suivants : très élevés voire inacceptables (plusieurs centaine s de gramme/an) pour certains compresseurs, sou s avec des technologies disponibles sur le marché, i l une forte pression d'essai . est possible de concevoir des boucles de climatisa - tion automobile émettant de l'ordre de 10 g/an ; Les essais en mode dynamique (rotation), illustré s de nombreuses boucles de climatisation automo- ci-après, fournissent également des "profils" d e bile actuelles peuvent présenter des débits de réponse contrastés plus particulièrement dans le ca s fuites typiques compris entre 10 et 70 g/an . des compresseurs usagés . Ces conclusions plaident en faveur de la réalisatio n Les débits de fuite mesurés pour les compresseurs d'un effort dans la conception et/ou la sélection d e "neufs" se situent entre 1 g/an à 6 g/an selon l e composants de performances élevées . Elles metten t régime de rotation et la pression du fluide . Pour les également en lumière le fait qu'en complément de s compresseurs "usagés", pour des pressions typique s nécessaires actions de récupération des HFC, lor s de fonctionnement de 2,9 bars, les essais ont révél é des phases de maintenances et en fin de vie, un e deux types de comportement : possibilité existe, à terme, de mise sur le marché d e certains compresseurs ont des niveaux d'émission s climatisations "remplies à vie", ce qui rendrait moin s similaires à ceux des compresseurs neufs avec 2, 5 sensible le problème de la qualité actuelle no n à 5 g/an ; homogène des opérations de maintenance . ui 4 III
Pertes annuelles actuelles de fluide frigorigène - Quel ordre de grandeur ? Sur la base de la capacité actuelle moyenne des circuits de climatisation automobile soit 775 g de HF C R134a (capacité variant de 650 g à 900 g, selon la taille et la puissance des véhicules à climatiser), et pou r une durée de vie des véhicules de l'ordre de 12 ans avec deux dernières années de vie sans maintenance , les éléments d'évaluation suivants sont retenus : - émissions fugitives annuelles de 15 %, soit 116 g/an ; - masse perdue lors des maintenances : 2 demi-charges, soit 775 g/10 ans ; - charge émise à la fin de vie : une demi-charge, soit 387 g/10 ans . On vérifie que l'on obtient sur le bilan d'utilisation du véhicule un rejet situé à un niveau de 232 g/an d e HFC R134a, soit 30 % de la charge initiale . Pour un scénario optimiste d'amélioration sur les trois postes précédents : fuite annuelle (limitée à 10 %) , maintenance et fin de vie (20 % d'une demi-charge pour chaque), le rejet total annuel pourrait être limit é à 93 g/an de HFC R134a . Toutefois une telle mise à l'atmosphère représente quand même une émissio n équivalente de 120 kg de CO 2 par an, soit 10 g/km pour un véhicule parcourant 12 000 km/an . Cett e valeur est non négligeable par rapport aux émissions conventionnelles moyennes des véhicules neufs e n 2002, à savoir 155 g/km de CO 2 . ,'pact global en termes d'effet de serre Compte tenu des connaissances acquises sur la sur - d'équivalents CO 2 . En effet, pour l'année 1995, l'im- consommation et sur les niveaux d'émissions d e pact obtenu était de l'ordre de 2 Mt CO 2 dont 100 kt fluides frigorigènes par défaut d'étanchéité, inci- pour la fin de vie, puis pour l'estimation à l'horizo n dents, maintenance et fin de vie sans récupération, il 2010, de 4,4 Mt CO 2 et 0,9 Mt CO 2 pour la fin de vie s'avère intéressant d'évaluer l'impact de la diffusio n et pour la fin de la période d'étude en 2020 le s de la climatisation automobile dans les parcs auto - impacts atteignent 3,6 Mt CO 2 et 1,6 Mt CO 2 pour l a mobiles en termes d'effet de serre, c'est-à-dire d'éva- fin de vie . luer la quantité de CO2 (ou d'équivalent CO 2 ) émise Par ailleurs, une évaluation des impacts de l'usag e à l'atmosphère, imputable à la présence d'un équi- des HFC par secteur d'activité en termes de rejet s pement de climatisation à bord des automobiles, à de CO 2 a été menée par le Centre d'énergétique d e la fois au plan national et européen . l'École des Mines de Paris, dans le cadre de s réflexions du groupe de travail "Gaz fluorés" de la Fr,irwa Mission interministérielle de l'effet de serre (MIES) . Ainsi, une simulation, basée sur les scénarios prévi- Pour le cas de la climatisation automobile, cett e sibles de pénétration de la climatisation dans le par c étude fournit des évaluations de rejets de CO 2 d'un automobile et sur l'évolution de ce même parc , ordre de grandeur conforme à la simulation d e visant à estimer les quantités de rejets de CO 2 (direct PADEME, précédemment citée . Elle donne pa r et indirect), a été menée par l'ADEME pour la Franc e ailleurs accès à une estimation du potentiel de gai n sur la période 2000-2020 . CO 2 envisageable, selon les efforts réalisés sur les plans qualités techniques, phases d'entretien et fi n Pour cela, des valeurs de pertes annuelles de fluide frigorigène estimées étaient nécessaires, en parallèle de vie du dispositif . des scénarios d'évolution du parc . Les hypothèses Les estimations d'impacts de l'usage de la climatisa- suivantes ont été retenues : pertes de 30 % par a n tion de cette étude conduisent aux niveaux de res- (incluant fonctionnement, maintenance et fin de vie ) ponsabilités suivants pour la France : 4 à 4,5 million s pour les systèmes mis en service depuis 1995, pui s de tonnes d ' équivalents CO2 à l'horizon 2010 . Cel a amélioration de l'étanchéité au-delà de 2000, rédui- souligne l'existence d'un important gisement d'éco- sant cette perte à un niveau de 20 % de la charge , nomies (jusqu'à - 3 Mt éq . CO2), si des action s puis 10 % au-delà de l'an 2010 . Ces estimations on t volontaires de limitations des rejets sont initiées , conduit à une estimation élevée de l'impact de l a comme l'illustre le graphique suivant dans leque l diffusion de la climatisation automobile en termes 3 scénarios d'actions sont simulés :
- Scénario 1 : laisser aller. - Scénario 3 : étanchéité améliorée + récupératio n - Scénario 2 : étanchéité améliorée + récupération lor s lors des maintenances + récupération en fin de vie . des maintenances . Émissions de R 134a en équivalent CO2 des systèmes de climatisation automobil e en milliers de tonnes "0" 4 000 3 500 3000 2 50 0 2000 1500 1000 500 0 1994 1995 1996 1997 1998 2010 2011 201 2 Ui ton européenne - 2 la deuxième à un effort d'amélioration des perfor- Ci, ` !?t k1!' !ir- t,itfon (Yrç rp ntç t1f r k? CO-?1 mances énergétiques des systèmes de climatisatio n (scénario "climatisation efficace") . Dans le cadre des travaux du programme europée n de lutte contre le changement climatique (ECCP) , Les calculs des émissions de CO 2 des seuls véhicules PADEME a réalisé une évaluation des enjeux de limi- climatisés durant le fonctionnement de la climatisa - tation des rejets de CO 2 , liés à la climatisation auto - tion conduit par comparaison aux économies d e mobile, à l'échelle européenne . CO 2 possibles entre le scénario "BAU" et le scénari o "climatisation efficace" . Il est obtenu un évitemen t Il convient de noter que l'accord volontaire ACE A cumulé de rejets CO 2 de 10 Mt pour l'année 2008 e t des constructeurs automobiles européens et l'objectif 31 Mt pour l ' année 2012, pour cette mesure portant de l'Union européenne sur les rejets de CO 2 des uniquement sur le volet efficacité énergétique de s véhicules (140 g/km en 2008 ; 120 g/km en 2012 ) systèmes de climatisation . Ces données sont illus- n'ont pour l'heure pas inclus le fonctionnement des trées ci-après : auxiliaires . L'évaluation de l'ADEME a pris en compte les deu x CO2 saving - improved A C annual r-nnsnmption reductio, cumulated types d'émissions, directe et indirecte, de gaz à effe t KT CO2 KT CO 2 8000 350 0 de serre (respectivement pertes de fluide frigorigèn e et surconsommations de carburant) . . . 7000 annual CO 2 saving with improved AC 31,3 3000 cumulated CO 2 saving with improved AC Pour le poste carburant, nous avons appliqué à 6000 2 500 l'évolution moyenne des consommations de carbu- 5000 rants exprimées en CO2 g/km du scénario conven- —2000 tionnel (accord Union Européenne/Constructeur s 4000 Automobiles "ACEA-UE" sur la réduction de s 1500 consommations des véhicules : objectifs sans prise 3000 10,01 1000 en compte des auxiliaires 140 g/km CO 2 en 2008 , 2000 120 g/km en 2012), des facteurs de surconsomma- 1000 [500 tions dus au fonctionnement de la climatisation pou r deux hypothèses : 0 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 201 2 la première correspond à une évolution technolo- gique usuelle de la climatisation (scénario BAU – business as usual) ;
Afin d'évaluer l'enjeu d'une limitation des rejets d e rejet éq . CO 2 de 11,3 Mt CO 2 pour l'année 2008 et fluide frigorigène, nous avons mené la comparaiso n 37,4 Mt pour l'année 2012, pour cette mesure por- de rejets d'HFC (puis de CO 2 via le potentiel effet d e tant sur le volet fluide . serre GWP de ce fluide) entre deux scénarios : CO2 saving - improved AC annual cumulated l'un - comme dans le cas de la surconsomma- KT CO2 (from HFC discharge reduction) KT CO 2 10000 40000 tion - correspondant à une évolution techniqu e 37, 4 normale des systèmes ("BAU") ; 9000 ] KT CO 2 year saving cumulated KT CO2 saving l'autre à un effort sur le niveau d'étanchéité d u a000 30000 circuit et sur les opérations de récupération lor s 7000 des phases d'entretien et de fin de vie ("niveau d e 2000 0 rejet HFC amélioré") . 6000 m Pour les deux cas, on s'intéresse aux véhicules neufs 5000 10000 introduits dans le parc automobile à compter de l'an - 4000 1 11, 3 née 2000, en tenant compte par la suite de leur sur - 2000 vie dans le parc (et donc des véhicules retirés) et d e leur niveau initial de rejets . Il est ainsi obtenu, pa r 1000 limitation de pertes d'HFC, un évitement cumulé de 0 1 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 201 2 Les travaux de l'ADEME que nous avons présentés ci-avant ont été intégrés dans le programme européen d e prévention des changements climatiques "ECCP - Long Report` qui définit, pour la Commission, les stratégie s de limitation des émissions de gaz à effet de serre . Ainsi, un potentiel de réduction de 2 à 4 Mt CO2/an est iden- tifié pour la climatisation automobile et l ' incorporation à terme du fonctionnement de cet équipement dans le s tests d ' homologation des véhicules est projetée . ' ECCP — Long Report —juin 2001 - http ://europa .eu .int/comm/environment/climat/eccp.htm Extrait du rapport final " ECCP - Long Report " - Juin 200 1 Potential for CO 2 saving : possibly 2 to 4 Mt/y Air Conditioning in new cars is rapidly penetrating the market . The share of new cars equipped with ai r conditioning is expected to rise from 20% to nearly 100% over the next decade . An impact on the emission of greenhouse gases can arise either through increased fuel consumption or the release offluorinated gases. The increase of fuel consumption is estimated to about S% on average according to various detaile d studies . During the next decade more efficient air conditioning systems are expected to be introduce d on vehicles to minimize the impact on greenhouse gas emissions . 7be Commission services are also considering appropriate steps to include air conditioning systems in the mandatory vehicle testing .
■ t lZCll f . r ? ' persjvctive'ti Au vu des résultats sur la surconsommation et le s pération performante pour les climatisation s surémissions de polluants induites par la climatisa - actuelles au R134a ; tion, l'efficacité énergétique de la boucle de réfrigé- - développement d'une méthodologie de mesure s ration doit être améliorée ; à titre d'exemple, nous en vue de la prise en compte réglementaire de l a pouvons noter qu'un compresseur à pilotage externe consommation énergétique de la climatisatio n optimisé devrait permettre de réduire la surconsom- dans les procédures d'homologation des nou- mation jusqu'à un facteur 2 . Par ailleurs, compt e veaux véhicules . tenu des fuites de fluide frigorigène R134a sur tout l e En ce sens, et en continuité avec les actions d'éva- cycle de vie d'un système d'air conditionné, de s luation présentées dans cette brochure et détaillée s actions doivent être menées pour les limiter et pour dans l'ouvrage La climatisation automobile (réfé- étudier de nouveaux fluides frigorigènes à ba s rence ADEME 4343 — 23 €), l'Agence particip e potentiel de réchauffement global de l'atmosphère . actuellement à de nouveaux travaux correspondant s Ainsi, il importe de mettre en ceuvre au plus tô t aux axes précités comme : deux types d'action . - "apport du pilotage externe du compresseur" , D'une part, des actions de recherche visant à : - "climatisation dans les cas des véhicules hybrides" , - améliorer l'efficacité énergétique du système - "évaporateur à haut rendement" , d'air conditionné ; - "pré-conditionnement du véhicule" , - réduire la puissance frigorifique demandée pa r - "climatisation réversible fonctionnant au CO 2 " , une optimisation de la thermique du véhicule e t - "étude de mélanges de fluides frigorigènes HFC e t par un pré-conditionnement actif ou passif à CO 2 " , l'arrêt ; - "méthodologie de mesure de la consommation de - renforcer l'étanchéité des circuits fonctionnan t la climatisation" , à l'HFC R134a ; - "réflexion au niveau européen sur le maintien de l a - mettre au point et développer des système s filière R134a" , fonctionnant avec de nouveaux fluides frigori- gènes (hydrocarbures, CO 2 , mélanges HFC/ - "mesures en usage réel sur véhicules instrumentés" . CO 2 . . .) . Les résultats de ces travaux feront partie d'une nou- D'autre part, des actions à caractère réglementaire : velle synthèse qui intègrera les données d'une pro- - réglementation et création d'une filière de récu - chaine campagne d'essais véhicules . ADEM E Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergi e Département Technologies des Transport s 500, route des Lucioles - 06560 Valbonne
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