juin/juillet 2014

Une combustion plus écologique

Les moteurs diesel modernes contrôlent les émissions de suie et d'oxydes d'azote

Par Eavan Moore

« Les réglementations préoccupent tous les fabricants de moteurs », explique Kevan Browne, directeur des communications à la société Cummins Engine. « Quels sont les niveaux d'émissions ? Comment les contrôler ? Et quand pourrons-nous atteindre les objectifs fixés en la matière ? »

La combustion du diesel produit une suie composée de carbone, d'hydrocarbures et de composés sulfurés solides, et elle génère des gaz et des vapeurs telles que du monoxyde de carbone, des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), du dioxyde de soufre et des oxydes d'azote (NOx). L'Organisation mondiale de la santé (OMS) prévient que sans contrôles appropriés, par exemple le post-traitement des gaz d'échappement, ces produits dérivés du diesel entraîneront chez les travailleurs tout un éventail de problèmes de santé, dont des maladies respiratoires et des cancers. Bien que le degré de risque fasse encore l'objet de débat, les normes les plus récentes de l'industrie réduisent les émissions de diesel à des niveaux pratiquement nuls, et l'industrie minière met tout en œuvre pour se doter d'un équipement plus écologique à moteur diesel.

Les taux élevés de suie (que l'on appelle aussi particules) et de NOx obligent les exploitants de mines, les gouvernements et les fournisseurs à se démener pour trouver des solutions visant à réduire les émissions de diesel et l'exposition des travailleurs. Une approche holistique est recommandée (des combustibles moins polluants aux pratiques de maintenance plus rigoureuses et à un aérage plus performant des mines souterraines), mais c'est dans le domaine de la combustion des moteurs et du post-traitement des gaz d'échappement que s'est produit le changement technologique le plus radical.

Modernisations des technologies de post-traitement

Avec un moteur ancien, seul un filtre à particules diesel (FPD) pourra gérer la charge associée aux particules. Ce concept fondamental existe depuis les années 1970 : un filtre en nid d'abeille en céramique, en métal, en cordiérite ou à fibres de verre tissées piège la suie sortant des gaz d'échappement, et la suie accumulée est périodiquement brûlée pour régénérer le filtre.

Al Hovda, directeur international des activités relatives aux gaz d'échappement et aux émissions à la société de filtration Donaldson basée à Minneapolis, explique que ce sont les problèmes liés aux dépôts de suie qui ont entraîné les améliorations apportées à la conception des FPD. Toute combustion pendant la régénération engendrera la production de cendres, et les canaux d'entrée des nouvelles générations de FPD sont plus grands de manière à récupérer plus de cendres et à espacer les intervalles d'entretien.

Cependant, les dépôts excessifs de suie (lesquels peuvent appeler à un entretien du FPD) se poursuivent car le cycle d'utilisation d'un véhicule ne permet pas toujours au moteur de fonctionner à une température suffisamment élevée pour atteindre la température de combustion requise. Si un FPD se régénère à 500° C, le moteur devra fonctionner à cette température, ou au-delà, au moins 20 % du temps afin d'éviter les dépôts excessifs de suie. Un test mené sur de nouveaux FPD entre 2000 et 2004 à la mine souterraine Stobie de Vale, dans le cadre du programme d'évaluation des émissions de moteurs diesel (PEEMD) à l'initiative de l'industrie minière, a montré que même les véhicules massivement utilisés avaient besoin d'aide pour que leurs moteurs atteignent cette température aussi souvent.

Les stratégies visant à augmenter les températures des gaz d'échappement peuvent être actives (ce qui implique une certaine intervention comme l'ajout de carburant ou la mise en marche d'un émetteur de chaleur) ou passives (à savoir l'augmentation automatique de la température des gaz d'échappement ou la réduction du seuil de température pour la régénération du filtre).

L'un des filtres que Vale prévoit d'installer sur des véhicules légers spécifiques dans toutes ses exploitations de Sudbury associe les stratégies de régénération active et passive. Le Stratus SMF-AR, un filtre en métal fritté fabriqué par HJS Emission Technology et vendu en Amérique du Nord par T.F. Hudgins, utilise des éléments chauffants entourant le filtre pour l'aider à se déclencher, et un additif pour carburant qui contient du ferrocène réduit la température de réaction. Bob Clayton, directeur des ventes internationales chez T.F. Hudgins, explique que le filtre peut réduire la température d'allumage de 200° C tout en réduisant les particules en suspension de jusqu'à 99,7 %. D'après Cheryl Allen, ingénieure principale spécialisée dans l'aérage chez Vale, le filtre permet de réduire les émissions de particules de plus de 99 % sur les deux moteurs que Vale a testés.

Les catalyseurs d'oxydation diesel (COD) peuvent aussi aider à atteindre et maintenir les températures de combustion. Les COD ont plusieurs fonctions, mais leur utilisation la plus courante (à savoir la conversion de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures en vapeur d'eau grâce à un catalyseur constitué de métaux précieux, souvent du platine et/ou du palladium) consiste à produire de la chaleur qui stimule la régénération dans le FPD.

L'inconvénient du platine et du palladium est qu'ils convertissent l'oxyde d'azote en NO2, un irritant respiratoire. Mais M. Clayton explique qu'il s'agit là d'un autre avantage du système Stratus SMF-AR : il peut réduire les taux de NO2 en fonction de l'état du moteur. Johnson Matthey, qui utilise le NO2 pour oxyder la suie dans ses filtres CRT, propose une nouvelle version « à faible émission de NO2 » que Vale teste actuellement sur des véhicules utilitaires lourds.

Non au NOx

Les émissions de NOx augmentent dans les mêmes conditions de combustion à température élevée qui réduisent les particules, et il est plus difficile de les traiter par le biais de modernisations. Quand les réglementations étaient moins strictes, il était possible d'équilibrer les particules et le NOx à l'aide de contrôles précis des moteurs. Mais dès l'arrivée de la génération de moteurs répondant à la norme Tier 3, « les exigences visant à réduire les particules et le NOx étaient telles que le seul moyen d'y parvenir était non pas de tenter de réduire l'un ou l'autre, mais de mettre au point des technologies de post-traitement qui réduisent les deux », explique Michel Grenier, directeur régional des programmes de recherche chez CanmetMINING.

Cela se reflète dans la technologie utilisée pour respecter les normes Tier 4 Final, qui ont commencé à s'appliquer aux moteurs de véhicules tout terrain de taille moyenne (entre 173 et 751 chevaux) depuis le 1er janvier 2014. Ces moteurs alimentent la plupart des engins d'exploitation minière souterraine et ne doivent en aucun cas émettre plus de 0,01 gramme de particules et 0,30 gramme de NOx par cheval-heure. Il s'agit de la même teneur que celle des niveaux autorisés par la norme Tier 4 Interim pour les particules, mais de la moitié seulement des niveaux acceptés de NOx. « On parle de niveaux quasiment nuls car ils sont si faibles qu'il est pratiquement impossible de les réduire davantage », explique M. Browne de Cummins.

Le post-traitement spécifique au NOx, que l'on appelle réduction catalytique sélective (RCS), est maintenant la norme dans tous les moteurs répondant à la norme Tier 4. Une solution aqueuse et à base d'urée, appelée fluide d'échappement diesel (FED), est injectée dans le flux d'échappement où la chaleur la convertit en ammoniac. L'ammoniac réagit avec le NOx pour former de l'azote et de l'eau à l'aide d'un catalyseur, et réduit le NO x provenant des gaz d'échappement de près de 90 %. Un second catalyseur élimine le surplus d'ammoniac.

Les systèmes de RCS peuvent réduire le coût d'exploitation d'un moteur ainsi que ses émissions. D'après les fabricants, ce genre de systèmes permettra de réaliser d'importantes économies de carburant pouvant aller jusqu'à 5 % car l'exploitation du moteur peut être optimisée pour répondre à des critères autres que la réduction de l'azote. Avec une exigence classique en FED de deux à trois gallons pour 100 gallons de carburant brûlés, le coût total du fluide et du diesel est moindre.

D'après Doug Mihelick, directeur commercial de la section Moteurs chez Caterpillar, ceci réduit aussi la charge sur les filtres à particules. « Le système RCS permet de régler les moteurs de manière à produire un taux légèrement plus élevé de NOx émis par ces derniers, et moins de particules », explique-t-il. Pour Caterpillar, cela signifie que certains modèles de machines répondant à la norme Tier 4 parviennent à éliminer suffisamment de suie par le biais de la régénération passive qu'il n'est jamais nécessaire d'appliquer une régénération active supplémentaire. Certains de ses moteurs ne requièrent pas de FPD.

M. Browne de Cummins fait remarquer que lorsque que la norme Tier 4 Final entrera en vigueur pour les moteurs de 751 chevaux et plus (tels que ceux des gros équipements d'exploitations à ciel ouvert), Cummins répondra aux exigences rien qu'avec sa technologie de RCS.

Ceci est en partie possible car les commandes à l'intérieur du vérin s'améliorent de manière régulière. Si la combustion du carburant est bonne, moins de déchets se retrouveront dans le flux de gaz d'échappement. Les moteurs répondant à la norme Tier 4 utilisent des systèmes d'injection de carburant à haute pression à contrôle électronique. Une injection à un moment précis et une surface suffisamment grande d'exposition des gouttelettes de carburant à l'oxygène permettra d'assurer la meilleure combustion possible.

Un moteur classique de taille moyenne utilise aussi la recirculation des gaz d'échappement (RGE) pour réduire la production de NOx en refroidissant la chambre de combustion à l'aide d'une partie des gaz inertes du flux de gaz d'échappement. « Depuis 2011, la plupart de nos moteurs destinés à un usage hors route de moins de 751 chevaux ont été équipés de la technologie de RGE », indique M. Browne. « Aujourd'hui, on la trouve chez pratiquement tous les fournisseurs de moteurs. »

Une nouvelle voie

Pour les années à venir, les utilisateurs de cette technologie devront résoudre certains problèmes ; les fabricants de moteurs, quant à eux, déclarent leur travail sur les émissions « terminé ». M. Browne explique que Cummins change maintenant de voie. « En ce qui concerne Cummins, les émissions ont été à l'origine de tous les changements technologiques ces dix dernières années », explique-t-il. « L'EPA et l'Union européenne nous ont imposé des échéances qui étaient difficiles à satisfaire. » Il explique que désormais, la société se concentrera sur les améliorations de la performance et non sur le respect des réglementations, ce qui implique un retour aux bases en matière de fiabilité, mais également que les catalyseurs de conversion continueront probablement de devenir plus efficaces et les dispositifs de post-traitement plus petits. La société accordera une plus grande attention aux autres options de carburant et aux installations électriques hybrides.

Parallèlement, Canmet mène des recherches sur les nouvelles technologies de post-traitement. L'American Conference of Government and Industrial Hygienists (ACGIH, la conférence américaine des hygiénistes du gouvernement et de l'industrie), durant laquelle ont été proposées des directives motivées par le respect de la santé sur le lieu de travail, lui a lancé un défi en suggérant que la valeur limite de NO2 sur huit heures devait être réduite de 3.0 parties par million (ppm) à 0.2 partie par million. L'ACGIH n'est pas chargée d'établir les réglementations, mais un grand nombre de provinces ont tendance à adopter ses directives.

« Cette décision suscite de grandes inquiétudes chez les exploitants miniers dans tout le Canada », déclare M. Grenier. « Quelle que soit la technologie qui vous intéresse actuellement, il faudra non seulement prendre en compte le besoin de réduire les particules de diesel, mais également celui d'avoir un impact sur le NO2 en particulier. »

Par ailleurs, ajoute M. Grenier, « nous travaillons sur les énergies de substitution pour notre équipement souterrain. En d'autres termes, qu'il s'agisse de véhicules alimentés par des piles à combustible ou totalement électriques fonctionnant sur batterie, notre but sera de parvenir, à terme, à des mines souterraines dépourvues d'émissions, ce qui aura un impact positif sur la sécurité et la santé des travailleurs. »

Traduit par : Karen Rolland

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