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VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 1 / 50
Marc LEJEUNEMarc LEJEUNEVOLVO POWERTRAIN FRANCEVOLVO POWERTRAIN FRANCESupplierSupplier ofof MackMack, Renault , Renault andand Volvo TrucksVolvo Trucks
Conférence CNAM Conférence CNAM -- SIASIAParis, 21 mars 2006Paris, 21 mars 2006
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 2 / 50
ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
EconomiesEconomies de carburant de carburant
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 3 / 50
ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
EconomiesEconomies de carburant de carburant
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 4 / 50
LeLe véhiculevéhicule poidspoids--lourdlourd
Production mondiale (> 16 t) : ≈ 700 000 véhicules / an
Exigences du transporteurConsommation
Prix d'achat et de reventeVitesse moyenne
Fiabilité
Utilisation moyenne :100 000 à 150 000 km / an
Exigences des pouvoirs publicsEmissions polluantes
SécuritéBruit
7 t< 33 t
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ChargesCharges d'exploitationd'exploitation d'und'un poidspoids--lourdlourd
Source : RENAULT TRUCKS, 2005Véhicule 40 tonnes exploité en France
Salaire : 34%
Carburant : 25%
Grande sensibilité du client au rendement moteur
Amortissement : 10%
Entretien : 9%
Impôts, péages, assurance : 8%
Frais généraux : 14%
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LimitesLimites d'émissionsd'émissions desdes véhiculesvéhicules poidspoids--lourdslourds
Source : BOSCH
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LimitesLimites d'émissionsd'émissions desdes véhiculesvéhicules poidspoids--lourdslourds
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0 1 2 3 4 5
ESC NOx (g/kWh)
ESC
PM (g
/kWh)
US 02
Euro 4 (2006)Euro 5 (2009)US 07US10
Euro 3 (2001)
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ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
EconomiesEconomies de carburant de carburant
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 9 / 50
MoteurMoteur dieseldiesel typiquetypique d'und'un poidspoids--lourdlourd de 40 de 40 tonnestonnesPuissance typique : 440 ch, soit 11 ch / tonne(≈ 8 fois moins qu'une automobile)
Puissance nécessaire à 90 km/h sur route plate : 160 ch
Masse : ≈≈ 1 t
6 cylindres en ligne
Suralimentation refroidie
Injection directe électroniqueCommon Rail 1 600 barou Injecteurs pompes 2 000 bar
Moteur DXi 11 (10.8 litres)
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CircuitCircuit d'aird'air dudu moteurmoteur Euro 3Euro 3
6 cylindresde 123 x 152 mm
10.8 litresεε = 18 : 1Pcylmax = 200 bar
Echangeurair / air
T C 25 °C0.9 bar abs
170 °C2.9 bar abs
Moteur DXi 11 (10.8 litres) @ 1900 tr/min pleine charge
45 °C2.8 bar abs
630 °C3.0 bar abs
480 °C1.1 bar abs
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InjecteursInjecteurs--pompespompes dudu moteurmoteur Euro 3Euro 3
Moteur DXi 11 (10.8 litres) Euro 3
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Combustion Euro 3Combustion Euro 3
Moteur RENAULT TRUCKS dCi 11 au CMT1500 tr/min 50% de charge 12 mg/coup de pré-injection et 88 mg.coup d'injection principale
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MoteurMoteur DXiDXi 11 Euro 311 Euro 3
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Régime moteur (tr/min)
Pres
sion
Moye
nne
Effic
ace
(bar
)
CourbesCourbes de couple de couple comparéecomparée poidspoids--lourdlourd / automobile/ automobile
RENAULT TRUCKS DXi 11(10.8 l - Unit Injectors)
RENAULT F9Q (1.9 l - Common Rail)
2050 Nm 440 ch 275 Nm 120 chsoit ≈190 Nm/l soit ≈ 40 ch/l soit ≈ 145 Nm/l soit ≈ 60 ch/l
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UtilisationUtilisation typiquetypique d'und'un moteurmoteur dede poidspoids--lourdlourd
Régime du moteur (tr/min)
% ducouplepleinecharge
MAGNUM 40 tonnesavec moteur 12 litres
Régimemoteur(tr/min)Paris à Lille par autoroute Lyon à Grenoble par autoroute
Parcours «facile» ≈ 35 l/100 km Parcours «difficile» ≈ 45 l/100 km
% du temps passé
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ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
EconomiesEconomies de carburant de carburant
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
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0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)
ESC
Parti
cules
(g/kW
h)
StratégiesStratégies en Europeen Europe
EGREGR
FAPFAP
SCRSCR
Euro 3Euro 3
Euro 4Euro 4
Euro 5Euro 5
Euro 6Euro 6
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0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)
ESC
Parti
cules
(g/kW
h)
SCRSCR
Euro 3Euro 3
Euro 4Euro 4Euro 5Euro 5Euro 6Euro 6
1.1. SSelectiveelective CCatalystatalyst RReductioneduction
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SCR : SCR : RéductionRéduction desdes NOxNOx parpar l'ammoniacl'ammoniac
Urée2NO2 + 4NH3 + O2
3N2 + 6H2O4 NH3 + 3 02
2 N2 + 6 H2O(NH2)2CO + H2O
2 NH3 + CO2
Catalyseurd’oxydation
facultatif
CatalyseurDeNOx :
Vanadium,Titane, ...
Catalyseurd’oxydation
facultatif
2 NO + O22 NO2
Consommation d'Adblue : 4 % du carburant (Euro 4)6 % du carburant (Euro 5)
Temp. mini de fonctionnement : ≈ 270 °C
Efficacité maximum : 70 % (Euro 4)85 % (Euro 5)
Surcoût : 4 500 €
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Implantation du SCR sur un camionImplantation du SCR sur un camion
Turbo
Pot principalFiltre les basses fréquences
Pot secondaireFiltre les hautes fréquences
Pot SCRFiltre les basses fréquences.Réduit les NOx
Injection d'urée
Réservoir d'urée (≈ 60 l)Chauffé par l'eau moteur
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 21 / 50
La solution "La solution "AdBlueAdBlue"" dudu SCRSCR
Composition : Eau avec 32,5% d'urée
Solidification : - 11°C
Début de décomposition : 70°C
Masse volumique : 1 090 kg/m3 @ 20°C
Viscosité : 1,4 mPas @ 25 °C
pH moyen : 8.5
Hypothèse de coût : 0,30 € HT en vrac et 0,50 € HT à la pompe
% d'urée dans l'eau
Température (°C)
32.5%
-11°C
0°C
0% 100%
+140°C
43.5%
+5°C
NH2
NH2
C O
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Distribution de Distribution de l'AdBluel'AdBlueDès 2005 :
en containers de 1 m3
chez les transporteurs
Dans 2 à 3 ans : majoritairement en vrac chez les transporteurs et dans les stations services
Station AdBlue de TOTAL à Berlin - 2005
www.findadblue.com
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0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)
ESC
Parti
cules
(g/kW
h) EGREGR
FAPFAP
Euro 3Euro 3
Euro 4Euro 4Euro 5Euro 5Euro 6Euro 6
22.. EExhaustxhaust GGasas RRecirculationecirculation && DDieseliesel PParticulatearticulate FFilterilter
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CircuitCircuit d'EGRd'EGR hautehaute pressionpression
Echangeurair / air
25 °C0.9 bar abs
Moteur DXi 11 (10.8 litres) @ 1800 tr/min 410 hp
200 °C3.5 bar abs
45 °C3.4 bar abs
65 °C3.4 bar abs
140 °C3.4 bar abs
570 °C3.6 bar abs
570 °C3.4 bar abs
Echangeurair / eau
TGV C
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NOx sur ESC (g/kWh)
Taux
d'E
GR m
oyen
(%)
TauxTaux moyenmoyen d'EGRd'EGR
Taux d'EGR moyenentre 1200, 1500 et 1800 tr/min à 50% et 100% de charge
Euro 5 : ≈ 25 % d'EGR
Euro 4 : ≈ 15 % d'EGR
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FiltresFiltres àà particulesparticulesObstructifs
☺ Efficacité sur les suies : > 95%
Contre-pression plus importante
Régénérations nécesssairespour éviter le colematement
Non-obstructifs
Efficacité sur les suies : 50%
Vieillissement ?
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0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)
ESC
Parti
cules
(g/kW
h)
StratégiesStratégies en Europeen Europe
EGREGR
FAPFAP
SCRSCR
Euro 3Euro 3
Euro 4Euro 4
Euro 5Euro 5
Euro 6Euro 6
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LaLa majoritémajorité desdes constucteursconstucteurs aa choisichoisi le SCR pour Euro 4le SCR pour Euro 4
Rentabilité ☺☺☺Consommation globale légèrement meilleure ☺☺
Coût des composants légèrement inférieur
Performance ☺Plus forte densité de puissance du moteur Plus forts rejets thermiques
FiabilitéRisques fiabilités plus importants (corrosion admission, vannes et échangeur EGR)
Utilisation Nécessite un approvisionnement en urée
Nécessité pour le filtre : d'un gazole désouffré
(< 50 ppm) de maintenances
périodiques si obstructif
SCR EGR + FAP
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ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
EconomiesEconomies de carburant de carburant
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
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0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)
ESC
Parti
cules
(g/kW
h)
StratégieStratégie principaleprincipale auxaux EtatsEtats--UnisUnis
+ FAP+ FAP
+ SCR+ SCR
US 98US 98
US 04US 04
US 07US 07US10US10
EGREGR
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NOx sur ESC (g/kWh)
Taux
d'E
GR m
oyen
(%)
TauxTaux moyenmoyen d'EGRd'EGR
US 07 : ≈ 27 % d'EGRUS 02 : ≈ 20 % d'EGR
US 10 : ≈ 36 % d'EGR
Taux d'EGR moyenentre 1200, 1500 et 1800 tr/min à 50% et 100% de charge
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 32 / 50
EGREGR bassebasse pressionpression pour US 07/10pour US 07/10☺ Rend le dosage de l'EGR relativement
indépendant du régime et de la charge☺ Très bon mélange de l'air avec l'EGR
Pertes de charge liées au volet Risque de dépôts (RAS, compresseur)Limitation en puissance à cause de la température sortie compresseur
CAT C15 US07
T CFAP
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DoubleDouble--suralimentationsuralimentation pour US 07/10pour US 07/10☺ Permet de maintenir la puissance avec
des forts taux d'EG (Pression adm. > 4 bar)☺ Meilleur rendement de compression grâce
au refroidissement intermédiaire
EncombrementComplexitéCircuit d'eau supplémentaire nécessaire (40°C)pour le refroidissement intermédaire
CAT C15 US07
T C
T C
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Distribution variable Distribution variable sursur l'admissionl'admission pour US 07/10pour US 07/10☺ Petite amelioration du rendement
avec cycles de Miller☺ Permet de couper plus efficacement
une partie des cylindres à faible charge pour augmenter la température d'échappement
☺ Remplace une waste-gate ou une turbine à géométrie variable pour limiter la pression cylindre à forts régimes et forte charge
Complexité accrue
Consommation d'huile
02468
101214
0 180 360 540 720Degrés moteurs
Levé
e de s
oupa
pe (m
m)
0
20
40
60
80
0 0.5 1Volume cylindre relatif
Pres
sion
cylin
dre (
bar)
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CombustionCombustion àà trèstrès basbas NOxNOx (après US10)(après US10)
[O2]%
Suies
EGR %Combustionà basse
températureλin ≈ 1.1-1.2 /[O2] ≈ 8-10%
Combustion homogèneλin ≈ 1.4-1.7 / [O2] ≈ 13-14%(pas de flame de diffusion)
Pour éviter la formation des suies avec l'EGR, il faut augmenter la pression d'injection,et jusqu'à mi-charge :
ou
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CombustionCombustion àà bassebasse températuretempérature
Source : Aspects of Soot formation in Diesel Fuel Jets (Sandia, THIESEL 2004)
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ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
EconomiesEconomies de carburant de carburant
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 38 / 50
0
10
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0 5 10 15 20 25Pression Moyenne Efficace (bar)
Rend
emen
t glo
bal d
u m
oteu
r (%
)
1200 tr/min1400 tr/min
1600 tr/min1800 tr/min
RendementRendement d'und'un moteurmoteur diesel de diesel de poidspoids--lourdlourd
43 %
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BilanBilan énergétiqueénergétique dudu moteurmoteur
Puissance sortie moteur : 43%
Puissance évacuée par l'échangeur d'air de suralimentation : 7%
Puissance des gaz d'échappement : 28%
Autres : 4%
1500 tr/min pleine charge% de l'énergie du carburant injecté
Puissance évacuée par le radiateur d'eau : 18%
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RécupérationRécupération dede l'énergiel'énergie desdes gazgaz d'échappementd'échappement
PrincipeTaux de
récupérationestimé en pleine
chage
Maturitétechnico-
économique
Turbocompoundmécanique
Turbine additionnelle reliée par engrenages au vilebrequin Jusqu'à 20%
Turbocompoundélectrique
Turbine additionnelle reliée à une génératrice, ou génératrice sur arbre turbo. Jusqu'à 20%
Thermo-électricité Couples de matériaux choisis produisant un courant si soumis à un gradient thermique. ≈ 15%
Cycle Rankin Cycle Rankin échangeant avec les gaz d'échappement avec eau ou composant organique Jusqu'à 60%
Moteur Stirling Moteur à combustion externe entre les gaz d'échappement et l'air ambiant Jusqu'à 40%
Reformage du carburant
Création d'hydrogène par vapocraquage endothermique dans l'EGR ou en utilisant l'enthalpie de l'échappement.
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TurbocompoundTurbocompound mécaniquemécanique
Turbocompound du VOLVO D12D 500 hp Euro 3
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Allongement des véhiculesAllongement des véhicules
Le passage de 40 t à 60 t permet un gain par tonne transportée de :
Consommation (≈ 15%)
Émission de polluants
Coût salariaux
Encombrement et usure des routes
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MotorisationsMotorisations hybrideshybrides
Batteries
Moteur thermique Boîtede vitesse
Moteur électrique
Embrayages
L'hybridisation en série permet un gain plus important que en parallèle
Stockage électrique, mais le stockage hydraulique est envisagé
Principalement pour applications urbaines (livraisons, benne à ordure, bus...)
Gains de consommation attendus : 20 à 30 %
Véhicule hybride de MACK TRUCKS pour l'armée américaine, 2005
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 44 / 50
ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
EconomiesEconomies de carburant de carburant
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 45 / 50
CarburantsCarburants alternatifsalternatifs
EM FC
EolienHydraul.Solaire
Nucléaire
Elec. Esters
ICE - Diesel
Bio-masse
CH4 Charbon
ETBE
ICE - Essence
H2
Etha-nol
Metha-nol
F -T DME
Gaz synthétique
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DimethylDimethyl Ether (DME)Ether (DME)
Véhicule démonstrateur avec moteur 9 litres Euro 5 à 300 ch (2004)
Origine : Charbon, gaz naturel, biomasse
Stockage : < -25°C sans pression, 6 bar @ 25°C
Densité : 0.668 kg/l @ 20 °C
PCI : 28.4 MJ/kg
Cétane : 55 à 60
CH3 O CH3
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EstersEsters
R C + CH3 O H R C + H20O
O H
O
O CH3
Acide gras Méthanol Ester méthylique
(colza, tournesol, soja...) (ou éthanol) (ou éthylique)
Esters Diesel
Norme : EN 14214 CEC RF-06-99
Densité : 0.88 kg/l @ 20 °C 0.835 kg/l @15°C
PCI : 37,3 MJ/kg 42.6 MJ/kg
Cétane : 50 - 54 52 - 54
Emissions GES : 20 - 24 g eq CO2/MJ 79 g eq CO2/MJ (source : ADEME)
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 48 / 50
EstersEstersNoms :
FAME : Fatty Acid Methyl Ester
EMHV : Ester Methylique d'Huiles Végétales
Biodiesel
Utilisations :
Dilué jusqu'à 5% dans le diesel sans indication (EN 590)
Dilué jusqu'à 30% dans le diesel pour flottes captives (B30 en France)
Pur (en Allemagne)
Objectifs de l'Union Européenne sur la part des biocarburants :
6% en 2010
20% en 2020
R CO
O CH3
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 49 / 50
ContraintesContraintes
Moteur Euro 3Moteur Euro 3
EvolutionsEvolutions en Europeen Europe
EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis
La course au rendement La course au rendement
Carburants alternatifsCarburants alternatifs
ConclusionsConclusions
VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 50 / 50
ConclusionsConclusionsLe moteur diesel restera encore longtemps le meilleur choix pour les
poids-lourds, du fait de son très bon rendement.
Ses émissions polluantes sont en baisse régulière grâce à un
perfectionnement de la combustion et à la généralisation de systèmes
de post-traitement (filtre à particules et SCR) à l'horizon 2010-2015.
Son carburant intégrera une part croissante d'esters issus de la
biomasse (objectif : 20% en 2020). Les carburants de synthèse (Fischer-
Tropsch, DME...) représentent par ailleurs une alternative à long terme.
Ses applications hybrides devraient croître pour les usages urbains.
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