Les particules fines issues des freins et des pneus, un argument anti voitures électriques ?

Quelle motorisation pour les véhicules routiers de demain ? Les débats qui entourent cette question sont souvent passionnés – voire « musclés », souvent pollués par les intérêts financiers des différents secteurs concernés (industrie pétrolière, fabricants de batteries électriques, …) – et bien trop rarement guidés par la raison. Emblématiques sont les discussions relatives aux particules fines issues des freins et des pneus. Tentons d’analyser cela sereinement.

Le trafic routier participe à la pollution de l’air via : (1) les gaz d’échappement des véhicules à moteur thermique, (2) l’usure de diverses pièces mécaniques (principalement au niveau des freins), (3) l’usure des pneus, (4) l’usure des revêtements routiers et (5) la remise en suspension des poussières présentes sur les routes. Les quatre dernières catégories, connues sous l’acronyme anglais NEE (pour « non-exhaust emissions » : émissions non liées à l’échappement), sont communes à toutes les voitures (quelle que soit la motorisation)¹. Elles sont néanmoins regardées comme un argument fallacieux utilisé par les défenseurs de la motorisation thermique d’un côté et comme une vérité gênante que cachent les promoteurs de la motorisation électrique de l’autre… Une petite revue de la littérature permet de sortir de ces positionnements caricaturaux et de se rendre compte que, comme en toute chose, la réalité est complexe. Nous nous limiterons dans le cadre de ce billet à trois documents qui nous semblent offrir, sinon « toutes les garanties de l’impartialité », du moins un nombre appréciable de ces garanties :

une revue de la littérature scientifique effectuée en 2014 par le centre de recherches conjoint (JRC) de la Commission européenne²;
un état des connaissances établi en 2019 par un groupe d’experts académiques travaillant pour l’administration de l’environnement du Royaume-Uni³;
le rapport sur la qualité de l’air en Europe publié en 2019 par l’Agence européenne de l’environnement (EEA)⁴.

En quoi le trafic routier contribue-t-il à la pollution atmosphérique ?

Selon l’Agence européenne de l’environnement, la contribution du trafic routier aux émissions de particules fines en Europe s’élève à 11%. Ceci vaut pour les deux tailles de particules dont les émissions et les concentrations dans l’air sont réglementées par la législation européenne, à savoir les PM10 (particules de diamètre égal ou inférieur à 10 micromètres (µm)⁵) et les PM2,5 (diamètre égal ou inférieur à 2,5 µm). Ce chiffre tient compte des émissions liées à l’échappement et des autres catégories de sources. Celles-ci sont responsables d’environ un tiers des émissions de PM2,5 induites par le trafic et de la moitié des émissions de PM10.⁶

Dans le chapitre de son rapport consacré aux oxydes d’azote, l’EEA souligne que les émissions du trafic routier impactent plus la santé humaine que d’autres sources. D’une part parce que la contribution du trafic à la pollution de l’air est plus élevée en milieu urbain, là où se rencontrent les densités de population les plus élevées et d’autre part parce que les émissions du trafic se produisent à hauteur des voies respiratoires⁷. Ceci est bien évidemment valide non seulement pour les oxydes d’azote mais également pour les particules fines.

Enfin, l’EEA estime à environ 7.600 le nombre de décès annuels imputables à la pollution par les PM2,5 en Belgique (et plus de 400.000 à l’échelle européenne).

Les 4 sources NEE non liées à l’échappement (usure des freins, usure des pneus, usure de la route et remis en suspension de particules présentes sur la route) ne contribuent pas toutes de la même manière à la pollution. Si les émissions induites par l’usure des freins ne sont pas trop complexes à quantifier, il est plus ardu de différencier entre usure des pneus et de la route (ce qui peut néanmoins se faire en combinant essais sur route et en laboratoire) et d’obtenir des valeurs moyennes pour la remise en suspension des particules présentes sur la route. Dans la suite de ce texte, nous nous concentrerons sur l’usure des freins et des pneus.

De quels polluants parle-t-on ?

Avant toute chose, il est nécessaire de rappeler que ce sont les particules les plus fines – notamment les « ultrafines », c’est-à-dire celles d’une taille égale ou inférieure à un dixième de micromètre, soit 100 nanomètre (100 nm)⁸) – qui sont les plus nocives pour la santé. Cette nocivité accrue s’explique par deux phénomènes :

pour une même quantité (mesurée en masse) de particules, les plus fines présentent une plus grande surface sur laquelle peuvent se fixer des polluants toxiques. Prenons l’exemple d’une particule A mesurant 10 µm et pesant environ 8 milliardièmes de gramme. Pour avoir le même poids avec des particules B mesurant 10 nm (soit 1.000 fois plus petites), il en faudrait un milliard. En supposant que la particule A ait la forme d’une sphère parfaite, sa surface serait égale à 1.257 µm² tandis que la surface cumulée du milliard de particules serait 1.000 fois plus grande ;
plus une particule est fine, plus aisément elle pénètre dans les voies respiratoires ; les plus fines peuvent traverser les parois des alvéoles pulmonaires (comme le font les molécules d’oxygène) et migrer dans le sang, accédant ainsi à tout l’organisme.

Les 4 sources d’émissions non liées à l’échappement produisent des particules fines, mais pas de ces autres polluants que l’on trouve dans les gaz d’échappements (oxydes d’azotes, composés organiques volatils, monoxyde de carbone) ni d’ozone, qui est un polluant secondaire issu de réactions chimiques entre les oxydes d’azote et les composés organiques volatils sous l’effet du rayonnement ultraviolet. En revanche, on peut retrouver dans les particules issues de ces 4 sources (et ceci est particulièrement vrai pour l’usure des freins) une forte proportion de métaux lourds.

En quelles quantités ?

Au Royaume-Uni, l’inventaire national des émissions atmosphériques indique que les particules émanant de l’usure des freins, des pneus et de la surface des routes représentent 60% (en masse) des particules fines PM2,5 et 73% des PM10 induites par le trafic routier, chiffres sensiblement plus importants que ceux cités par l’EEA. Les deux premières sources (usure des freins et des pneus) contribuent fortement à la présence de métaux dans l’atmosphère (47% du cuivre et 21% du zinc).⁹

Selon le JRC, le facteur d’émission de particules fines associé à l’usure des pneus est de l’ordre de 6,7 mg/km (moyenne arithmétique sur les 9 références bibliographiques analysées)¹⁰ ; il est de 6,3 mg/km pour l’usure des pneus (moyenne arithmétique sur les 13 références bibliographiques analysées)¹¹. A titre de comparaison, une voiture diesel de norme Euro 4 (norme entrée en vigueur en 2005) pouvait émettre jusque 25 mg/km de particules à l’échappement tandis que les véhicules essence et diesel de norme Euro 5 et 6 (entrée en vigueur respective 2009 et 2014) peuvent émettre respectivement 5 et 4,5 mg/km.

Pour caractériser les émissions de particules, les chercheurs s’intéressent notamment à leur taille (dont dépend leur nocivité) et cherchent à quantifier :

quelles sont les tailles de particules qui contribuent le plus à la masse totale de particules émises ;
quelles sont les tailles de particules qui contribuent le plus au nombre de particules émises.

Le plus grand nombre de particules produites par l’usure des freins sont de petite taille (plusieurs études parlent d’un pic situé autour de 350 nm¹²). En ce qui concerne l’usure des pneus, les études menées avec un appareillage permettant de mesurer les particules ultrafines font état d’un pic situé autour de 30 à 50 nm¹³.

Où se produisent les émissions et quels facteurs les influencent ?

Au Royaume-Uni, la moitié des émissions NEE se produisent en milieu urbain.¹⁴

Les particules issues de l’usure des freins sont particulièrement présentes en milieu urbain tandis que c’est sur les voies rapides que prédominent les particules liées à l’usure des pneus. Pour ces dernières, de nombreux paramètres influencent les facteurs d’émissions dont bien sûr le type de pneus, le type et la qualité du revêtement routier, la fréquence et l’intensité des accélérations et décélérations qui vont contribuer à faire augmenter la température des freins et des pneus laquelle peut s’élever fortement, ce qui a pour corollaire de produire des particules plus fines (qui, pour rappel, sont plus nocives). Concernant ce dernier aspect, il est utile de relever que plus un véhicule est puissant, plus la personne qui se trouve au volant aura une conduite dite « sportive », avec des accélérations plus intenses.

La masse du véhicule influe directement sur l’énergie dissipée lors du freinage et sur les forces de friction entre les pneus et la route : plus un véhicule est lourd, plus les émissions NEE seront élevées.¹⁵

Les véhicules dont le freinage est assuré en tout ou en partie par un système de freinage « régénératif »¹⁶, comme les véhicules électriques, émettent beaucoup moins de particules lors des phases de freinage. Par contre, la masse généralement plus élevée de ces véhicules va augmenter l’usure des pneus et de la route. Il n’est actuellement pas possible de faire la balance entre les deux effets, d’autant que leur importance relative dépend du type de route et du style de conduite.¹⁷

En guise de conclusion

Les émissions NEE (notamment celles associées à l’usure des freins et des pneus) contribuent objectivement à la pollution atmosphérique, et ce de manière non négligeable.

Cette réalité ne retire rien aux avantages spécifiques de la motorisation électrique sur les plans énergétique et climatique (quels que puissent être ces avantages, l’optique n’est pas ici d’en discuter).

Cette réalité est juste susceptible de relativiser les bienfaits de la motorisation électrique en termes de pollution atmosphérique. Toutefois, l’état actuel des connaissances scientifiques ne permet pas d’estimer vers où penche la balance, entre l’effet positif du freinage régénératif et l’effet négatif de l’accroissement de la masse (poids des batteries) et de la puissance (le moteur électrique délivre sa puissance maximale même à faible vitesse et permet d’atteindre des puissances très supérieures à celles des moteurs thermiques). De plus, il est clair que – pour comparer deux véhicules commercialisés – une Renault Twizy (473 kg à vide pour 13 kW de puissance) ne présentera pas le même bilan qu’une Porsche Taycan Turbo S (2.295 kg à vide pour 460 kW de puissance).

La seule conclusion qu’il semble dès lors raisonnable de tirer de ce qui précède est de répéter, encore et toujours, la recommandation de mettre en place les outils normatifs, réglementaires et fiscaux nécessaires pour diminuer la masse et la puissance des voitures, et ce quelle que soit leur motorisation.

A l’exception des émissions liées à l’usure des freins pour les véhicules équipés d’un freinage régénératif comme expliqué plus loin dans le texte.
Grigoratos G., Martini G. 2014. Non-exhaust traffic related emissions. Brake and tyre wear PM – Literature review. JRC Science and policy reports. Luxembourg: Publications Office of the European Union
Air Quality Expert Group. 2019. Non-Exhaust Emissions from Road Traffic. DEFRA
European Environment Agency. 2019. Air quality in Europe – 2019 report. Luxembourg: Publications Office of the European Union
European Environment Agency. 2019. Air quality in Europe – 2019 report. Luxembourg: Publications Office of the European Union
European Environment Agency. 2019, p. 34
European Environment Agency. 2019, p. 41
Un dixième de micromètre (0,1 µm) est égal à 100 nanomètres (100 nm), un nanomètre valant un milliardième de millimètre
Air Quality Expert Group. 2019, p. 8
Grigoratos G., Martini G. 2014, p. 21
Grigoratos G., Martini G. 2014, p. 40
Grigoratos G., Martini G. 2014, p. 16
Grigoratos G., Martini G. 2014, p. 36
Air Quality Expert Group. 2019, p. 73
Air Quality Expert Group. Op. cit., p. 15-16
Lors d’un freinage « régénératif », le moteur électrique de traction n’est plus alimenté en électricité mais demeure mécaniquement couplé aux roues, lesquelles entraînent sa rotation : il se comporte alors comme un générateur électrique et recharge la batterie.
Air Quality Expert Group, p. 9