Rédigé par Dr. Asma BEJI en juin 2021

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

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.

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 PM_2.5 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.

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.

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.