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LES PARTICULES DE FREINAGE, PRINCIPALE SOURCE DE POLLUTION D’ICI 2030 ?

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30 juin 2021
Les actualités Les particules de freinage, principale source de pollution d’ici
2030 ?

Rédigé par Dr. Asma BEJI en juin 2021

Thèse : Caractérisation physico-chimique des particules émises hors échappement
par le trafic routier

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Le trafic routier est une source majeure d’émissions de particules présentant un
risque important pour la santé humaine et l’environnement. Malgré les efforts
déployés par les pouvoirs publics et des scientifiques pour baisser les
émissions à l’échappement, la contribution des émissions hors échappement a
augmenté et devient prépondérante ces dernières années.

Le trafic routier est une source majeure d’émissions de particules présentant un
risque important pour la santé humaine et l’environnement. Il est l’un des
secteurs prioritaires d’action pour améliorer la qualité de l’air, focalisant
aujourd’hui l’attention des pouvoirs publics et des scientifiques et
s’inscrivant au cœur du débat sur l’environnement. Depuis une vingtaine d’année,
la problématique de la réduction des émissions à l’échappement a été propulsée
sur le devant de la scène internationale et notamment européenne (mise en place
des normes Euro, de filtre à particules FAP, de système SCR pour réduire les
NOx…). Néanmoins, devant les efforts déployés pour baisser les émissions à
l’échappement, la contribution des émissions hors échappement, tel que les
particules de freinage, a augmenté et devient prépondérante ces dernières
années. Ces émissions hors échappement sont notamment dues à l’usure des freins
et aux particules émises au contact entre les pneus et la chaussée. D’ici 2030,
elles devraient augmenter de 53.5% dans le monde, selon l’OCDE (Organisation
international de Coopération et de Développement Économiques). Par ailleurs, des
études épidémiologiques montrent que l’impact toxicologique de ces particules
est loin d’être négligeable.


LE FREINAGE : LA SOURCE PRÉDOMINANTE DES ÉMISSIONS HORS ÉCHAPPEMENT

Parmi les émissions hors échappement, les particules des freins sont
prédominantes notamment dans les milieux urbains et près des axes routiers à
forte circulation. En effet, le processus d’usure qui a lieu lors du contact
entre les plaquettes et le disque des freins, est responsable d’émissions
importante de particules fines et ultrafines. Elles représentent ainsi jusqu’à
55% des émissions de PM10 hors échappement et jusqu’à 20% des émissions totales
de PM2.5 provenant du trafic routier. Ces émissions sont encore mal connues et
quantifiées en raison de leur variabilité, car de nombreux paramètres influent
sur leurs caractéristiques, tels que la diversité des véhicules et des
plaquettes de freins, les caractéristiques de la route, le style de conduite…
Elles sont par ailleurs peu étudiées car les méthodes permettant de les
caractériser sont complexes. Les mesures à la source des particules des freins
montrent que leur concentration augmente sensiblement avec la vitesse du
véhicule, son poids ainsi que la fréquence de freinage. En effet, plus le
système de freinage est sollicité, plus le frottement de la zone de contact sur
le disque augmente. Ce frottement va générer, d’une part, des particules
grossières dues à l’abrasion mécanique et d’autre part des particules ultrafines
(ayant un diamètre inférieur à 100 nanomètres) émises par dégradation thermique
des matériaux de la plaquette de freins en cas de surchauffe. Des études
récentes ont confirmé que l’augmentation de la température des freins, jusqu’à
certain seuil, favorise la formation de nanoparticules. Ainsi, cette température
représente un enjeu important à prendre en compte pour la réduction des
émissions de freins.

Frein de voiture


LES PARTICULES DE FREINAGE : UN ENJEU SANITAIRE IMPORTANT

Plusieurs études épidémiologiques ont montré les effets néfastes, à court et à
long terme, de l’exposition aux particules dues à l’usure des freins. En effet,
considérant la taille micrométrique voir nanométrique des particules de
freinage, elles peuvent pénétrer dans les alvéoles pulmonaires et les bronches,
ce qui peut conduire à des cas d’inflammation, des crises d’asthme, de
bronchites chroniques ou engendrer des cancers dans les cas les plus graves. La
composition chimique des particules de freins pourrait également dévoiler leurs
effets néfastes sur la santé. En effet, l’usure des freins génère des particules
à forte/moyenne teneur en fer, qui contiennent aussi du carbone, provenant du
graphite, et divers métaux (cuivre, silicium, baryum, zirconium, antimoine…).
Cette composition dépend fortement de celle des plaquettes de frein qui est très
complexe et variable d’une plaquette à autre. Néanmoins, peu d’études se sont
focalisées sur la composition des particules émises en relation avec le type des
plaquettes testées, et ceci pourrait expliquer la diversité des traceurs trouvés
dans la littérature. Parmi les traceurs communs des particules de freinage, le
fer et le cuivre ont été montrés délétères pour le cerveau et les cellules
cardiaques.

L’usure des freins


POLLUTION LIÉE AU FREINAGE : LA SITUATION DEVIENT PRÉOCCUPANTE !

En résumé, le lien entre la taille des particules de freins, leur composition
chimique et leurs effets possibles sur la santé justifie clairement la poursuite
des recherches dans ce domaine, que cela concerne le développement de
méthodologies de mesures ou de technologies/stratégies de contrôle de ces
émissions. Ainsi, devant l’évolution du parc automobile, la situation est
désormais de plus en plus préoccupante. La transition vers les véhicules
électriques, si elle réduit la pollution au CO2, ne mettra pas fin à l’émission
des particules de freinages. D’après un rapport de l’OCDE publié en décembre
dernier, la pollution liée à l’usure de freins va devenir la pollution
principale des voitures d’ici 2030. Dans les années à venir, l’Union Européenne
devrait mettre en place de nouvelles solutions intégrant, par exemple, un
système de captation des particules destiné aux freins (comme le système
« tamic » développé par la société Tallano), ainsi que des matériaux plus
durables et moins nocifs pour les plaquettes de frein. Récemment, des nouvelles
plaquettes de freins sans cuivre ont été développées, par Delphi et Feredo,
comme une alternative plus performante en terme de friction. Néanmoins, ces
plaquettes semblent être plus polluantes selon une étude récente réalisée par la
Royal Institute of Technology (KTH) à Stockholm.

Enfin, l’impact sur la santé des particules d’usure des freins demeure
incontestable et ne peut pas être négligé. En revanche, si certains pays, comme
les États-Unis, ont commencé à chercher des solutions face à cette
problématique, en France et en Europe, le sujet tarde à émerger, hormis dans le
cadre de quelques appels à projet (H2020, AQACIA-ADEME). De plus, il n’existe à
l’heure actuelle aucune réglementation en ce qui concerne la réduction des
émissions de particules fines liées au système de freinage. La norme d’émissions
Euro 7, encore en cours d’élaboration pour être effective à l’horizon 2024/2025,
devrait fixer une limite réglementaire pour ces particules et exigerait une
évolution des véhicules automobiles.




Pour plus d’informations

Contactez Dr. Asma BEJI

Ici


LISTE DES RÉFÉRENCES

Barosova, Hana, Savvina Chortarea, Pavlina Peikertova, Martin J. D. Clift, Alke
Petri-Fink, Jana Kukutschova, et Barbara Rothen-Rutishauser. 2018. « Biological
response of an in vitro human 3D lung cell model exposed to brake wear debris
varies based on brake pad formulation ». Archives of Toxicology 92 (7): 2339‑51.
https://doi.org/10.1007/s00204-018-2218-8.
Beji, A., K. Deboudt, S. Khardi, B. Muresan, P. Flament, M. Fourmentin, et L.
Lumière. 2020. « Non-Exhaust Particle Emissions under Various Driving
Conditions: Implications for Sustainable Mobility ». Transportation Research
Part D: Transport and Environment 81 (avril): 102290.
https://doi.org/10.1016/j.trd.2020.102290.
Kukutschová, Jana, et Peter Filip. 2018. « Chapter 6 – Review of Brake Wear
Emissions: A Review of Brake Emission Measurement Studies: Identification of
Gaps and Future Needs ». In Non-Exhaust Emissions, édité par Fulvio Amato,
123‑46. Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811770-5.00006-6.
Liati, A., D. Schreiber, D. Lugovyy, S. Gramstat, et P. Dimopoulos
Eggenschwiler. 2019. « Airborne particulate matter emissions from vehicle brakes
in micro- and nano-scales: Morphology and chemistry by electron microscopy ».
Atmospheric Environment 212 (septembre): 281‑89.
https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.05.037.
Lyu, Yezhe, Mara Leonardi, Jens Wahlström, Stefano Gialanella, et Ulf Olofsson.
2020. « Friction, wear and airborne particle emission from Cu-free brake
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https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105959.
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https://doi.org/10.1039/c9mt00253g.
Zum Hagen, Ferdinand H. Farwick, Marcel Mathissen, Tomasz Grabiec, Tim Hennicke,
Marc Rettig, Jaroslaw Grochowicz, Rainer Vogt, et Thorsten Benter. 2019. « Study
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Environmental Science & Technology 53 (9): 5143‑50.
https://doi.org/10.1021/acs.est.8b07142.



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