« Qu’y a-t-il dans le diesel? »est une question avec deux réponses, l’une très courte et l’autre très longue. La réponse courte est les hydrocarbures. Les hydrocarbures, comme leur nom l’indique, sont des molécules constituées de liaisons hydrogène et atomes de carbone. Les hydrocarbures sont les composants de tous les combustibles fossiles — et biocarburants – qui les rendent précieux. Les hydrocarbures sont les molécules des combustibles fossiles et des biocarburants qui s’enflamment, brûlent, brûlent, explosent, etc.
Au niveau moléculaire, les combustibles fossiles sont simplement des hydrocarbures et des contaminants. Les biocarburants sont également des hydrocarbures au niveau élémentaire. Ainsi, le diesel est simplement une combinaison d’hydrocarbures différents. C’est le mélange d’hydrocarbures — le rapport des différents hydrocarbures — qui fait du diesel un carburant fossile unique.
Plus important que de demander ce qu’il y a dans le diesel, c’est de demander quels hydrocarbures sont dans le diesel et dans quelle combinaison.
Les classes d’hydrocarbures Déterminent les types de combustibles fossiles et de biocarburants
Tout comme il existe différents types de combustibles fossiles et de biocarburants, il existe différentes catégories, classes et types d’hydrocarbures. Les catégories, classes et types d’hydrocarbures déterminent le type de carburant — diesel, essence, gaz naturel, kérosène, etc. – ainsi que les différents types de biocarburants.
Il existe deux catégories d’hydrocarbures fossiles : saturés et insaturés. Et, il existe quatre types de classes d’hydrocarbures, deux dans la catégorie saturée et deux dans la catégorie insaturée. Chevron.com Le document technique Diesel Fuels Technical Review décrit quatre classes: « Il existe quatre grandes classes d’hydrocarbures: les paraffines, les naphtènes, les oléfines et les aromatiques. Chaque classe est une famille de molécules d’hydrocarbures individuelles qui partagent une caractéristique structurelle commune mais diffèrent par leur taille (nombre d’atomes de carbone) ou leur géométrie. Les classes diffèrent également par le rapport hydrogène / atomes de carbone et par la manière dont les atomes de carbone sont liés les uns aux autres. »
Les oléfines – également appelées alcènes — et les aromatiques sont des hydrocarbures insaturés. Les alcanes sont les seuls hydrocarbures saturés présents naturellement dans le pétrole brut.
Les caractéristiques des classes d’hydrocarbures
Les grandes molécules d’hydrocarbures et les chaînes de molécules d’hydrocarbures longues et complexes équivalent à une plus grande densité de carburant. La densité de carburant est la quantité d’énergie dans chaque volume de carburant, la quantité d’énergie dans un gallon ou un litre de diesel, par exemple. Carburants légers comme l’essence et les carburants à l’état de gaz — gaz naturel (méthane), propane, etc. – se composent de petites molécules d’hydrocarbures et de chaînes de molécules courtes. En conséquence, les combustibles légers ont de faibles densités énergétiques.
Les grands hydrocarbures et les longues chaînes de molécules d’hydrocarbures comprennent la plupart des hydrocarbures dans les carburants lourds comme le diesel, le carburant diesel et le carburant de soute (huile résiduelle). En effet, les grandes molécules d’hydrocarbures et les chaînes de molécules ont une densité d’énergie élevée. En plus de la taille et de la longueur des molécules d’hydrocarbures, les rapports carbone / hydrogène jouent un rôle dans la densité. Le nombre d’atomes de carbone par rapport aux atomes d’hydrogène détermine le poids et la densité d’un carburant. Plus le nombre d’atomes de carbone — ou moins il y a d’atomes d’hydrogène — dans le rapport carbone / hydrogène d’une molécule est élevé, plus le carburant est dense en énergie.
Les hydrocarbures à rapport hydrogène / carbone élevé sont plus légers que les hydrocarbures à rapport carbone /hydrogène plus élevé. La raison en est que l’hydrogène est l’élément le plus léger sur Terre. Il s’ensuit donc que les combustibles fossiles à l’état gazeux comme le propane et le gaz naturel (méthane) — qui ont un taux élevé d’hydrogène par rapport au carbone – sont extrêmement légers. À l’autre extrémité du spectre, les combustibles fossiles épais et lourds comme le diesel et le mazout sont riches en carbone.
Plus le rapport carbone/hydrogène est élevé, plus la densité d’un carburant est grande.
Densité d’hydrocarbures et de carburant
La densité d’énergie affecte tout, de la consommation d’essence et des émissions à la durée de vie du moteur. La consommation d’essence, les émissions — la pollution — et l’usure d’un moteur sont des produits de taille de molécule d’hydrocarbure et de longueur de chaîne de molécule d’hydrocarbure.
Plus le rapport carbone/hydrogène est élevé, plus un carburant contient d’énergie et plus le carburant brûle. Par exemple, la densité énergétique d’un gallon d’essence est considérablement inférieure à la densité énergétique d’un gallon de diesel. « Le diesel et l’essence ont à peu près la même énergie par unité de masse (valeur calorifique inférieure, environ 41 MJ / kg). La densité du diesel est d’environ 833 kg / m3 contre 740 kg / m3 pour l’essence. Cela donne au diesel une densité d’énergie par volume d’environ 13% plus élevée « , selon StackExchange.com .
En conséquence, au moins en partie, les moteurs diesel sont entre 25 et 35% plus économes en carburant que leurs homologues à essence et durent deux à trois fois plus longtemps.
Quatre classes d’hydrocarbures
Encore une fois, il n’y a que quatre classes d’hydrocarbures: les paraffines, les naphtènes, les oléfines et les aromatiques. Parce qu’il n’y a que quatre classes d’hydrocarbures, cela signifie nécessairement que les hydrocarbures contenus dans les combustibles fossiles appartiennent à l’une des quatre classes. Cependant, il existe des centaines de types d’hydrocarbures différents dans le diesel ainsi que tous les autres types de combustibles fossiles.
Le diesel contient à lui seul plus de 500 types d’hydrocarbures différents. De plus, de nombreux hydrocarbures contenus dans le diesel existent également dans l’essence et d’autres combustibles fossiles. Bien que les combustibles fossiles aient des hydrocarbures en commun, c’est le rapport entre les grandes et les petites molécules d’hydrocarbures qui sépare les combustibles fossiles. Il existe une formule pour le mélange d’hydrocarbures dans chaque combustible fossile.
De même, il existe une formule hydrocarbonée pour le diesel.
Catégories et classes d’hydrocarbures dans le diesel
Les quatre classes d’hydrocarbures appartiennent à l’une des deux catégories. Indépendamment de laquelle des quatre classes d’hydrocarbure relève un hydrocarbure, un hydrocarbure est soit un hydrocarbure saturé, soit un hydrocarbure insaturé. Le rapport hydrocarbures saturés / hydrocarbures insaturés varie dans le diesel.
Mais, le rapport est généralement d’environ quatre hydrocarbures saturés pour chaque hydrocarbure insaturé.
En ce qui concerne les classes d’hydrocarbures, les hydrocarbures dans le diesel relèvent de l’une des trois catégories suivantes: paraffines, aromatiques et naphtènes. Les oléfines sont très rares dans le carburant diesel car elles sont rares dans le pétrole brut. « Les oléfines sont rarement présentes dans le pétrole brut; elles sont formées par certains procédés de raffinage. »Comme l’explique le département des carburants avancés du Réseau de technologies de l’énergie, « Le carburant diesel se compose principalement de paraffines, d’aromatiques et de naphtènes. Le carburant diesel contient des hydrocarbures ayant environ 12 à 20 atomes de carbone et la plage d’ébullition est comprise entre 170 et 360 ° C. »
Quels sont les hydrocarbures saturés – les alcanes –
Les hydrocarbures saturés constituent la majorité des hydrocarbures contenus dans le carburant diesel. Environ 75% des hydrocarbures contenus dans le diesel sont des hydrocarbures saturés. Comme il existe différents types d’hydrocarbures, il existe différents types d’hydrocarbures saturés ou d’alcanes.
Différents types d’alcanes — des hydrocarbures saturés — ont un nombre différent d’atomes d’hydrogène et d’atomes de carbone. Et, différents alcanes ont des rapports hydrogène / carbone différents. Il existe deux types d’alcanes dans le carburant diesel: paraffines et naphtènes. « Les paraffines et les naphtènes sont classés comme des hydrocarbures saturés car plus d’hydrogène ne peut y être ajouté sans casser le squelette carboné. »
Hydrocarbures paraffiniques
Les paraffines normales sont des molécules à chaîne unique. Il y a une colonne vertébrale d’atomes de carbone. Les atomes de carbone attachés sont entre un et trois atomes d’hydrogène. « Les paraffines normales ont des atomes de carbone liés pour former des molécules en forme de chaîne, chaque carbone – à l’exception de ceux aux extrémités – étant lié à deux autres, un de chaque côté. »Mais, à l’instar du fait qu’il existe différents combustibles fossiles car il existe différents types d’hydrocarbures — saturés et insaturés —, il existe différents types de paraffines. En plus des paraffines normales, il existe également des isoparaffines.
Hydrocarbures isoparaffiniques
Les isoparaffines ont le même squelette carboné que les paraffines normales. Cependant, en plus de l’épine dorsale des atomes de carbone, les isoparaffines ont des branches de carbone. L’implication est qu’un hydrocarbure de paraffine différent peut avoir le même nombre d’atomes de carbone et d’hydrogène dans une chaîne, mais une structure différente.
« Les isoparaffines ont un squelette carboné similaire, mais elles ont également un ou plusieurs carbones se ramifiant du squelette. Le décane normal et le 2,4-diméthyloctane ont la même formule chimique, C10H22, mais des propriétés chimiques et physiques différentes. Des composés comme celui-ci, avec la même formule chimique mais une disposition différente des atomes, sont appelés isomères structurels. »
Hydrocarbures cycloalcanes (Naphtènes)
En plus des molécules à chaîne unique et des molécules à chaîne avec des branches, les hydrocarbures de paraffine se développent également en chaînes dans lesquelles les deux extrémités se lient pour former une boucle. Les hydrocarbures paraffiniques qui bouclent sont des cycloalcanes ou des naphtènes.
Et, chaque type d’alcane peut avoir un grand nombre de types différents.
« Dans des conditions standard de température et de pression (STP), les quatre premiers membres de la série des alcanes (méthane, éthane, propane et butane) sont sous forme gazeuse, et les composés à partir du C5H12 (pentane) au n-heptadécane (C17H36) sont des liquides (constituant de grandes fractions d’hydrocarbures présentes dans les carburants liquides (par exemple, l’essence, le carburéacteur et le carburant diesel), tandis que le n-octadécane (C18H38) ou plus lourd les composés existent isolément sous forme de solides ressemblant à de la cire au STP. Ces paraffines plus lourdes sont solubles dans les paraffines plus légères ou d’autres hydrocarbures et peuvent être trouvées dans le carburant diesel et le mazout. Les paraffines de C1 à C40 apparaissent généralement dans le pétrole brut (alcanes plus lourds en solution liquide et non sous forme de particules solides) et représentent jusqu’à 20% du brut en volume. »
Les composants restants du carburant diesel sont des aromatiques, des hydrocarbures insaturés.
Quels hydrocarbures insaturés — Aromatiques – sont dans le diesel
Les hydrocarbures aromatiques sont des hydrocarbures insaturés. Les aromatiques constituent les non-alcanes du carburant diesel. « Les carburants diesel ont des teneurs en composés aromatiques comprises entre 15 et 37% en volume. »Il existe trois types d’aromatiques: mono-aromatiques, di-aromatiques et tri-aromatiques. Bien qu’il existe des centaines de types spécifiques d’aromatiques dans le diesel, il n’y en a qu’une demi-douzaine qui constitue une partie majeure du diesel contemporain.
Les composés aromatiques les plus courants dans le diesel sont:
- Benzène
- Toluène ou méthylbenzène
- m-xylène ou 1,3-diméthylbenzène
- Éthylbenzène
- propylbenzène
- Isopropylbenzène
Avantages et inconvénients des aromatiques
Les aromatiques jouent un rôle crucial dans deux qualités importantes du diesel. Premièrement, plus le nombre d’aromatiques est élevé, plus la viscosité est grande. Ainsi, plus il y a d’aromatiques dans le diesel, plus il est fluide. De plus, les aromatiques sont des hydrocarbures volatils, ce qui signifie que les aromatiques aident les démarrages par temps froid des moteurs diesel. Et, plus il y a d’aromatiques, plus le taux de cétane d’un carburant diesel est élevé. Mais, il y a aussi des inconvénients des aromatiques, notamment en ce qui concerne l’environnement.
Les aromatiques, lorsqu’ils sont brûlés, produisent des émissions plus sales que les alcanes. « Les aromatiques peuvent conduire à des composés cancérigènes dans les gaz d’échappement, tels que le benzène et les composés polyaromatiques. Les oléfines dans l’essence peuvent entraîner une augmentation de la concentration d’oléfines réactives dans les gaz d’échappement, dont certaines sont cancérigènes, toxiques ou peuvent augmenter le potentiel de formation d’ozone. »
Bons et mauvais hydrocarbures dans le diesel
Le carburant diesel n’est pas un carburant « propre » selon l’environnementaliste traditionnel. La raison en est les particules et le smog associés à la combustion du diesel. Cependant, la fumée noire produite par les moteurs diesel n’est guère différente de la fumée des cheminées, des volcans et des feux de forêt. Bien que laide, la fumée noire produite par les moteurs diesel du passé était simplement des hydrocarbures imbrûlés.
Les émissions les plus dangereuses des moteurs à combustion sont sans doute les gaz invisibles présents dans les émissions. Le monoxyde de carbone, par exemple, est produit en quantités extrêmement faibles par les moteurs diesel. D’autre part, les moteurs à essence produisent des quantités importantes.
Il y a une raison — la prévalence d’un hydrocarbure sur un autre — qui sépare le diesel des autres combustibles fossiles: les naphtènes. « Les naphtènes sont une classe d’hydrocarbures aliphatiques cycliques ou simplement des cycloalcanes. »Simplement, les naphtènes sont des alcanes qui se bouclent. Cela signifie que les naphtènes sont riches en énergie et extrêmement denses. Plus important encore, les émissions de naphtènes ne sont pas toxiques.
Alors que tous les combustibles fossiles contiennent un grand nombre de paraffines (alcanes) et d’aromatiques, tous les combustibles fossiles ne contiennent pas de grandes quantités de naphtènes. Au lieu des naphtènes, le troisième composant des carburants légers comme l’essence et les combustibles fossiles à l’état gazeux sont les alcènes. Les alcènes sont toxiques. Ainsi, à un niveau fondamental, le diesel est différent de l’essence et des autres carburants à l’état de gaz léger car il contient des naphtènes, des émissions précieuses et non toxiques produisant des hydrocarbures.
Hydrocarbures diesel Comparés à Ceux des Autres combustibles fossiles
Heureusement, les hydrocarbures « propres » sont les mêmes hydrocarbures à haute densité énergétique. De même, les hydrocarbures toxiques pour les personnes et qui endommagent l’atmosphère et l’environnement sont également ceux qui ne sont pas denses en énergie. Bien que le diesel pose des problèmes en ce qui concerne les émissions polluantes, ces problèmes ne sont pas liés aux hydrocarbures. Alors que le soufre contenu dans le diesel ordinaire est toxique, le diesel à faible teneur en soufre est considérablement moins polluant que l’essence.
Le diesel a une teneur en alcanes plus élevée que l’essence et une teneur en aromatiques plus faible. De plus, l’essence a une teneur élevée en alcènes. Les alcènes produisent des émissions toxiques. Plutôt que des alcènes, le diesel contient des naphtènes, une forme d’alcanes. Les alcanes sont la classe d’hydrocarbures la plus propre en ce qui concerne les émissions. De plus, les naphtènes ont la densité énergétique la plus élevée de tous les hydrocarbures.
En ce qui concerne les émissions d’hydrocarbures, le diesel est le combustible fossile le plus propre.