Publié par (fuelsandlubes 15/02/23)
Par le Dr Mathias Woydt, MATRILUB, et le Dr Raj Shah, Koehler Instrument Company
Les conséquences des frictions sont abondamment présentes dans le monde d’aujourd’hui, mais restent invisibles. Le frottement produit à partir de toutes les surfaces en mouvement en interaction gaspille non seulement de l’énergie, mais crée également de l’usure. L’usure génère inévitablement des flux de déchets et alimente la soif de matériaux, mettant à rude épreuve des ressources limitées et/ou rares. Toute ressource consommée a une empreinte carbone intégrée, qui s’ajoute aux pertes par friction.
L’interaction du frottement, de l’usure et de la lubrification connue sous le nom de tribologie est un aspect important mais caché des activités humaines.
La croissance de la population humaine et sa richesse ont des implications importantes pour nos demandes de ressources sur la nature. Si nous voulons éviter de dépasser les limites de ce que la nature peut fournir tout en répondant aux besoins de notre population humaine croissante, les modes de consommation et de production doivent également être fondamentalement restructurés. Il en va de même pour nos modèles économiques, dont la croissance doit être découplée de la consommation.
L’application appropriée de la tribologie, ou la sélection rigoureuse des surfaces lubrifiées pour réduire la quantité de frottement, peut être utilisée pour économiser plusieurs gigatonnes par an (pa) de dioxyde de carbone (CO 2 ) sans perdre les valeurs fonctionnelles en cours d’utilisation. Par la suite, cette réduction réduirait proportionnellement l’usure des surfaces concernées, ce qui permettrait une longévité accrue des produits et des biens concernés. Ensemble, la réduction de la friction et la longévité peuvent réduire les émissions de CO 2 en utilisant davantage la même quantité de ressources. Une lubrification appropriée, la surveillance de l’état, la réparabilité ou les matériaux/revêtements résistants à l’usure contribuent tous à minimiser la friction et à prolonger la longévité.
Dans cet article, nous abordons les économies calculées sur les émissions évitées, ou ce que l’on appelle le Scope 4, auxquelles la tribologie bas carbone peut contribuer de manière significative.
Le frottement et l’usure se produisent partout et à tout moment le long de la chaîne de valeur. Selon Holmberg et Erdemir 1 ainsi que d’autres 2,3 , sur toute l’énergie primaire totale, 20 à 33 % sont absolument perdus à cause du frottement.
Scope 4 : Émissions évitées
Le Greenhouse Gas (GHG) Protocol ne traite pas encore des émissions évitées. Le champ d’application 1 couvre les émissions directes provenant de sources détenues ou contrôlées. Le champ d’application 2 couvre les émissions indirectes provenant de la production d’électricité achetée, de vapeur, de chauffage et de refroidissement consommée par l’entreprise déclarante. Le champ d’application 3 comprend toutes les autres émissions indirectes qui se produisent dans la chaîne de valeur d’une entreprise.
En novembre 2013, le World Resources Institute (WRI) a proposé une définition des émissions de Scope 4. « Les émissions évitées sont des réductions d’émissions qui se produisent en dehors du cycle de vie ou de la chaîne de valeur d’un produit, mais à la suite de l’utilisation de ce produit. Parmi les exemples de produits (biens et services) qui évitent les émissions figurent les pneus économes en carburant, les roulements à billes économes en énergie, etc.
Cette définition inclut clairement à titre d’exemples « les pneus économes en carburant et les roulements à billes économes en énergie » qui sont des actions tribologiques. Il s’agit d’une catégorie entièrement nouvelle qui ne relève pas des protocoles convenus actuels. C’est aussi un concept relativement nouveau. Les émissions de portée 4 décrivent les émissions qui peuvent être évitées grâce à un produit ou un service. Les émissions évitées sont souvent considérées comme étant causées par l’effet facilitateur d’une technologie ou d’une solution, par exemple des lubrifiants ou des revêtements à faible frottement. Une solution permet la même fonction ou la même performance avec beaucoup moins d’émissions de GES. A l’inverse, un lubrifiant offre les mêmes fonctionnalités anti-usure et extrême pression avec des frottements significativement réduits, ce qui permet d’économiser les émissions de GES en phase d’utilisation.
Un tel reporting Scope 4 est d’une importance considérable pour la tribologie et les lubrifiants afin de développer et de promouvoir des produits à faible émission de carbone, par exemple à faible frottement et longue durée, que l’on peut qualifier de lubrifiants durables.
La valeur monétaire des émissions évitées
Le bilan économique des investissements dans la tribologie bas carbone dépend de la valeur de l’énergie économisée et/ou des quotas de CO 2 , qui sont monétisés sous forme d’économies soit en quotas de CO 2 , soit simplement en coûts d’énergie ou de ressources.
Le Cadre des émissions évitées 4 renforce l’importance de la phase d’utilisation. Les compensations ou crédits carbone sont des termes génériques utilisés pour attribuer une valeur à une réduction ou à un évitement des émissions de gaz à effet de serre réalisé par un projet certifié. Un crédit carbone peut être échangé ou utilisé pour compenser l’empreinte carbone.
Atteindre le zéro net nécessite plus qu’une simple réduction des émissions. Pour tenir compte des processus qui seront exceptionnellement difficiles à décarboner complètement, nous devons éliminer les gaz à effet de serre de l’atmosphère. 5 Les technologies d’émissions négatives (NET), également connues sous le nom de technologies d’élimination des gaz à effet de serre (GGR), nous permettent de le faire. Traditionnellement, les NET ne regardent que l’élimination des GES après émission, alors que la tribologie aide à économiser les GES dans la phase d’utilisation.
La tarification du carbone (ou tarification du CO 2 ), également connue sous le nom de système de plafonnement et d’échange (CAT) ou système d’échange d’émissions (ETS), est une méthode permettant aux nations de réduire le réchauffement climatique. 6 La tarification du carbone vise à résoudre le problème économique selon lequel les émissions de CO 2 et d’autres gaz à effet de serre sont une externalité négative — un produit préjudiciable qui n’est facturé par aucun marché. Le coût est appliqué aux émissions de gaz à effet de serre afin d’inciter les pollueurs à réduire la combustion du charbon, du pétrole et du gaz, principal moteur du changement climatique. Un prix du carbone prend généralement la forme d’une taxe sur le carbone ou d’un échange d’émissions de carbone, une obligation d’acheter des quotas pour émettre.
Si les quotas de CO 2 seront la monnaie de l’avenir, alors une technologie habilitante, telle que la tribologie, devrait également être envisagée.
Le corridor de prix du carbone en Europe variait en 2020-2021 entre 40-80 EUR (42-85 USD)/tCO 2 7 avec un plus haut historique le 8 février 2022 de 98,88 EUR (105 USD)/tCO 2 pour les permis carbone européens ( ETS). La vente plafond du prix des quotas de carbone en Californie en 2022 était de 72,29 USD/tCO 2 , mais variait en 2021-2022 entre 17 et 32 USD/tCO 2 . Le groupe de réflexion « France Stratégie » projette des valeurs de coûts de réduction des gaz à effet de serre par les technologies habilitantes pour 2030 à environ 250 EUR (266 USD)/tCO 2 et pour 2040 à 500 EUR (532 USD)/tCO 2 .
Dans une perspective à long terme et pour les investissements futurs, des NET avec des coûts de 100 USD par tonne de CO 2 ou légèrement supérieurs devraient être envisagés. Les surcoûts de développement et de mise en œuvre des solutions de TNE tribologiques doivent concurrencer ce montant.
Les lubrifiants sont essentiellement des produits pétrochimiques non énergétiques et tant qu’ils ne sont pas brûlés ou valorisés thermiquement, ils auront un impact significatif sur les émissions totales prévues d’équivalent CO 2 (CO 2 eq) sur la durée de vie en raison des pertes par frottement irréversibles et de la longévité limitée de la machine. Avec des lubrifiants fonctionnels correctement formulés, les pannes prématurées de la machine pourraient être évitées, prolongeant ainsi la durée de vie de l’équipement et empêchant la consommation excessive de ressources métalliques/minérales avec eq CO 2 intégré due aux pertes par frottement.
Des véhicules plus efficaces
Environ 80 ± 5 % des émissions du berceau à la tombe des véhicules routiers 8 ont été émises pendant la phase d’utilisation (Scope 3) par la combustion de combustibles fossiles ou dans le cas des transmissions électriques/hybrides issues de la production d’électricité.
Le consortium de recherche intersectoriel allemand appelé « Groupe motopropulseur à faible frottement » 9 a déterminé diverses combinaisons de mesures, qui ont atteint 12,1 % comme la réduction maximale possible de la consommation de carburant grâce à la réduction du frottement pour un moteur à essence. Le calcul était basé sur une Mercedes Classe C avec un moteur à combustion interne à essence de 1,8 litre suralimenté mécaniquement (M271 KE) et une transmission manuelle. Les économies de carburant potentielles étaient de 0,945 L/100 km (ou une extension d’autonomie de 3,6 miles) sur 7,81 L/100 km (30,1 mpg), ce qui équivalait à 2,249 kg CO2/100 km. La valeur monétaire en CO 2 de ces mesures tribologiques pour réduire les frottements sur 160 100 km (durée de vie moyenne des voitures à essence dans l’UE27) s’élève à 180 EUR (191 USD) sur la base de 50 EUR (53 USD)/tCO 2. D’autre part, la valeur monétaire du carburant économisé est de 1 512 litres fois le prix du carburant, soit plus de 10 fois la valeur monétaire réelle du CO 2 .
En combinant les deux estimations, la conclusion est que 9,6 ± 0,6 % des émissions de CO2 du cycle de vie de la catégorie 11 des véhicules routiers peuvent être économisées en moyenne en réduisant la friction. La durée des émissions de GES du cycle de vie des véhicules routiers varie entre 40 et 65 tonnes d’équivalent CO 2 pendant 200 000 km d’exploitation. La valeur monétaire d’une mesure tribologique de réduction des frottements s’élève à 192-312 EUR (204-332 USD) sur la base de 50 EUR (53 USD)/tCO 2 . Il faut mentionner que toute réduction des frottements augmente l’autonomie des véhicules électriques.
Roulements à billes à gorge profonde
Bakolas et al. 10 ont estimé que les pertes d’énergie pendant la phase d’utilisation des roulements rigides à billes largement utilisés peuvent atteindre 96 à 152 TWh d’électricité par an, sur 23 845 TWh dans le monde (2019). Cela suppose une économie d’énergie de 20 % grâce à une friction réduite, grâce à l’utilisation de roulements à billes standard à friction optimisée. En combinant les économies de 96 TWh à 152 TWh avec le facteur d’émission global pour l’électricité (2019) de 475 grCO 2 eq/kWh ou 275 grCO- 2 eq/kWh pour l’UE27 calculé avec une valeur monétaire CO 2 de 50 EUR (53 USD)/tCO 2 , les économies monétaires globales de CO 2les quotas pourraient atteindre 1,32 à 3,61 milliards d’euros (1,25 à 3,8 milliards de dollars) dans le monde. D’autre part, l’électricité économisée a une valeur comprise entre 28,8 et 45,6 milliards d’euros (30,3 à 48 milliards de dollars), sur la base d’un prix de l’électricité de 0,30 euro (0,32 dollar)/kWh.
Joints dynamiques
Un joint mécanique à frottement optimisé réduit le frottement de 0,5 à 1,0 grCO 2 /km11 dans une voiture de tourisme de 1,6 litre à double embrayage par rapport à un joint de vilebrequin en PTFE standard. En supposant une durée de vie de 200 000 km, les économies de CO 2 peuvent varier entre 100 et 200 kg CO 2 . La valeur monétaire par scellé en phase d’utilisation s’élève à 5-10 EUR (5,33-10,65 USD), sur la base de 50 EUR (53 USD)/tCO 2 . Avec des facteurs d’émission de 2,317 kgCO2/L d’essence et de 2,714 kgCO 2 /L de diesel, cela donne 43,1 à 73,7 L de carburant multiplié par le prix national du carburant, ce qui est considérablement plus élevé que les économies monétaires en quotas de CO 2 .
Pneus à faible résistance au roulement
L’analyse du cycle de vie du manufacturier français Michelin montre que plus de 92,6 % des impacts environnementaux proviennent de la phase d’utilisation du pneu via la résistance au roulement. Un pneu été à résistance au roulement optimisée permet d’économiser jusqu’à < 0,21 L/100 km ou 4,872 g de CO 2 /km dans une voiture de tourisme (VW Golf VII, MY2020, 1,5 TSI)12. Pendant les 35 000 km de durée de vie du pneu, jusqu’à 170 kg de CO 2 en moins sont émis. La valeur monétaire d’un pneu à faible résistance au roulement en phase d’utilisation est de 8,50 EUR (9,05 USD), sur la base de 50 EUR (53 USD)/tCO 2. La réduction de la résistance au roulement jusqu’à 27% améliore également l’efficacité énergétique d’un véhicule électrique (EV), augmentant ainsi son autonomie jusqu’à 7%, soit environ 30 km pour une VW e-Golf avec une autonomie de 400 km, par rapport à un pneu comparatif de la classe d’efficacité européenne « A ».
Un total de 73,4 litres d’essence peut être économisé et 170 kg de CO 2 en moins sont émis dans un véhicule à essence sur la base d’un facteur d’émission pour l’essence de 2,317 kgCO 2 /L. Cet avantage monétaire, qui dépend des prix nationaux du carburant en vigueur, est supérieur d’environ un ordre de grandeur aux économies réalisées sur les permis de carbone européens.
La valeur monétaire de l’épargne par des mesures tribologiques
Comparons maintenant les économies tribologiques des économies d’énergie électrique avec les valeurs monétaires associées de l’évitement des quotas de carbone.
Les prix des permis de carbone de l’UE en 2022 variaient entre 60-98 EUR (63-104 USD)/tCO 2 fois le facteur d’émission du mix énergétique de 0,275 tCO 2 /MWh dans l’UE27 et 0,401 tCO 2 /MWh en Allemagne. Cela équivaut à une valeur monétaire du CO 2 comprise entre 16,5 et 39,3 EUR (17,5 et 41,8 USD)/MWh. Si l’on regarde les économies d’énergie électrique, les coûts moyens de l’électricité au premier semestre 2022 en Allemagne étaient de 330,2 EUR (351,7 USD)/MWh pour l’industrie et de 371,4 EUR (395,6 USD)/MWh pour les ménages.
Ainsi, les efforts de réduction de la consommation d’énergie électrique sont entre 10 et 20 fois plus avantageux économiquement que les coûts des quotas de CO 2 . Cette évaluation changera, si la prévision à long terme de « France Stratégie » devient réalité.
Le coût de recharge des véhicules électriques peut varier selon la région, le type de chargeur et l’heure de la journée, ainsi que l’autonomie de chaque modèle. Pour comparer correctement les prix et les économies entre les véhicules électriques et les véhicules à essence, comparons le rapport entre l’autonomie de la voiture en miles et l’autonomie par kilowattheure (kWh) d’électricité, multiplié par le coût de l’électricité en kWh, ou (autonomie de la voiture (CR)/autonomie par kWh (RPK))* coût par kWh (CPK) = coût à facturer13.
Compte tenu d’un coût moyen national de 0,14 USD par kWh et d’une autonomie conventionnelle de 360 miles, le coût moyen pour recharger complètement un VE serait de 16,80 USD. 14 Ce calcul change si l’on considère que les coûts moyens de l’électricité au premier semestre 2022 en Allemagne étaient de 0,330 EUR (0,35 USD)/kWh pour les clients industriels et de 0,371 EUR (0,4 USD)/kWh pour les clients résidentiels.
Les États-Unis ont émis environ cinq milliards de tonnes de CO 2 par an ces dernières années, dont environ 1,6 milliard de tonnes de CO 2 par an provenaient de la production d’électricité. Selon l’Agence des projets de recherche avancée-Énergie (ARPA-E), jusqu’à 24 % de l’énergie primaire peut être économisée si toutes les mesures tribologiques possibles sont mises en œuvre. En supposant des réductions conservatrices de 7,5 % par frottement sur la production d’électricité en appliquant une tribologie appropriée, près de 120 millions de tonnes métriques (MT) d’équivalent CO 2 peuvent être évitées d’être émises dans l’environnement. Le groupe de travail interagences a estimé les coûts sociaux du carbone résultant de la réduction de la friction sur la production d’électricité en 2020 à 6,1 milliards USD, sur la base de 51 USD par MT d’éq. CO 2 .
conclusion
La réduction du frottement et la longévité peuvent aider à éviter les émissions de gaz à effet de serre dans la phase d’utilisation ou le champ d’application 3. Les sciences de la tribologie et de la lubrification doivent être considérées comme des puits d’élimination du dioxyde de carbone et rivaliser par les économies de GES avec d’autres puits d’élimination du dioxyde de carbone ou NET. Les prix des quotas de carbone sont bien trop bas pour justifier des investissements dans les NET, tels que la réduction des frictions et l’allongement de la longévité. Compte tenu de la hausse des coûts de l’énergie, les investissements dans des solutions tribologiques représentent une analyse de rentabilisation cachée lorsqu’il s’agit de réaliser des économies sur les coûts de l’énergie et des ressources.
La tribologie et la lubrification sont toutes deux des approches technologiques pour aider à réduire le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. La réduction du frottement et la longévité doivent être considérées comme des NET selon les futurs principes du Scope 4. Des mesures visant à réduire les frottements et à prolonger la durée de vie doivent être incluses dans le système d’échange de quotas d’émission et la tribologie doit être éligible aux allocations de quotas de CO 2 .
Les références
1 K. Holmberg et A. Erdemir, Influence de la tribologie sur la consommation, les coûts et les émissions énergétiques mondiales, Friction, Vol. 5, p. 263–284 (2017).
2 PM Lee et R. Carpick (eds.), Opportunités de tribologie pour améliorer l’efficacité énergétique de l’Amérique – Un rapport à l’Advanced Research Projects Agency, 14 février 2017, US DoE.
3 M. Woydt, T. Gradt, T. Hosenfeldt, R. Luther, A. Rienäcker, F. Wetzel et C. Wincierz, Technologie interdisciplinaire pour la réduction des émissions de CO2 et la conservation des ressources, Société allemande de tribologie, septembre 2019.
4 A. Stephens et V. Thieme, Vers > 60 gigatonnes d’innovations climatiques. Module 2 – Le cadre des émissions évitées (AEF), septembre 2020.
5 William Nicolle, « Quatre technologies d’émissions négatives (NET) qui pourraient nous amener à zéro net », Policy Exchange, décembre 2020.
6 Évaluation de la tarification du carbone et prise de décision : guide pour l’adoption d’un prix du carbone, Banque mondiale, 2021.
7 État et tendances de la tarification du carbone 2021. Banque mondiale, mai 2021.
8 M. Woydt, E. Bock, V. Bakolas, C. Wincierz, T. Hosenfeldt, R. Luther, « Effets de la tribologie sur les émissions de CO2 dans la phase d’utilisation des produits – Contributions de la tribologie à la décarbonisation », Société allemande de tribologie , février 2023.
9 K. Michaelis, J. Geiger, K. Moser, Stahl. K., J. Beulshausen, S. Pischinger, Low Friction Powertrain, Rapport final du pôle de recherche « Low Friction Powertrain », 2013.
10 V. Bakolas, P. Roedel, O. Koch et M. Pausch, « Une première approximation de la consommation énergétique globale des roulements à billes », Tribology Transactions, 2021, Vol. 64, n° 5, p. 883–890.
11 NN, Les joints mécaniques lubrifiés au gaz réduisent les émissions de CO2, Livre blanc, Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG.
12 Le pneu éco-responsable MICHELIN e.PRIMACY fait pour durer, novembre 2020.
13 J. Rodriguez, Combien coûte la recharge d’une voiture électrique ?, novembre 2022.
14 Administration américaine de l’information sur l’énergie, Electric Power Monthly.
Lire article d’origine : https://www.fuelsandlubes.com/fli-article/avoided-emissions-from-tribology-and-sustainable-lubricants/?mc_cid=9d536737cf&mc_eid=
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