Groupes électrogènes > Impacts sur l’atmosphère > Réduction des émissions de gaz d’échappement

Le développement de la technique du moteur thermique dépend principalement des exigences posées aux émissions. Tous les concepts pour respecter les valeurs limites d’émissions visent en priorité la diminution de l’émission d’oxyde d’azote. La réduction de la formation de suie joue en outre un rôle très important pour les moteurs diesel. L’exigence au carburant est d’avoir une teneur en soufre ne dépassant pas la valeur de 0,05 % en masse.



Pour les moteurs à gaz, une réduction des émissions d’oxyde d’azote se fait par la combustion d’un mélange maigre. La réduction des émissions de monoxyde de carbone est résolue par l’application d’un catalyseur d’oxydation.

La réduction des émissions d’oxyde d’azote des moteurs diesel est entraînée par une réduction catalytique sélective (SCR) sous l’addition d’un agent réducteur (ammoniaque et/ou urée). Les émissions de monoxyde de carbone sont réduites par l’application d’un catalyseur d’oxydation.

L’effort pour tenir les émissions d’oxyde d’azote du moteur à injection pilote le plus faible possible et pour éviter la technologie coûteuse SCR (réduction catalytique sélective) a conduit à un développement de la chambre de précombustion. L’huile d’allumage est injectée dans cette chambre qui est séparée de la chambre de combustion principale. Pour la période du fonctionnement avec du carburant diesel seul, le mélange est injecté par un système d’injection séparé directement dans la chambre de combustion principale.

Pour un fonctionnement avec les combustibles gaz et diesel, l’injection du carburant dans une chambre de précombustion permet une diminution de la part de l’huile d’allumage (diesel) sur environ 1% et une réduction des émissions d’oxydes d’azote.

Un mauvais réglage du moteur peut conduire à un dépassement considérable des valeurs limites pour les polluants poussière, monoxyde de carbone et matières organiques. La durée de vie du moteur sera éventuellement plus faible ainsi qu’une perte de degré d’efficacité jusqu’à 15% doit être prise en considération.

Emissions de poussières

L’émission de particules, inévitable lorsqu’un moteur fonctionne au gasoil, peut être réduite par l’application de filtres de suie.

Les concentrations de poussières dans le gaz d’échappement des moteurs récents à allumage par compression se situent entre environ 15 mg/m³ et 200 mg/m³. Dans les cas où les moteurs sont mal ajustés, les valeurs d’émissions peuvent atteindre 1000 mg/m₃. La part de suie dans les poussières dépend du réglage du moteur et peut varier selon le cas entre environ 60% et plus de 95%.

L’application du carburant d’une pauvre teneur en soufre peut réduire les émissions de suie considérablement.

Les filtres de suie ont fait leurs épreuves pratiques pour les moteurs diesel d’une puissance calorifique jusqu’à environ 5MW. Une concentration de poussières dans le gaz d’échappement de 20 mg/m₃ peut être garantie sous condition que le filtre de suie soit bien adapté aux caractéristiques du moteur et aux conditions d’exploitation. Les émissions de poussières des moteurs d’une puissance calorifique entre 500 kW et 1 MW peuvent atteindre des valeurs de 20 mg/m3. Les mêmes mesures de réduction des émissions de poussières peuvent être appliquées dans cette gamme de puissance que celle utilisées dans la gamme de puissance calorifique supérieure à 1 MW. Des valeurs identiques peuvent être atteintes dans la gamme des moteurs d’une puissance calorifique entre 50 kW et 500 kW.

Les filtres du type CRT (continuously regenerating trap) fonctionnent par régénération continue du filtre, provoquée par l’oxydation du monoxyde d’azote (NO) en dioxyde d’azote (NO₂), à une température supérieure à 280°C. C’est la présence du dioxyde d’azote qui permet l’oxydation continue des suies qui seront collectées sur le filtre. Toutefois, la cinétique de transformation du monoxyde d’azote en dioxyde d’azote sur le catalyseur d’oxydation très fortement chargé en platine est sévèrement concurrencée par l’oxydation du dioxyde de soufre (SO₂) en trioxyde de soufre (SO3). Un faible taux de soufre du gasoil est donc nécessaire pour un fonctionnement efficace de ces systèmes.

Les filtres ayant recours à un catalyseur d’oxydation «externe» porté par un additif au carburant sont les plus connus. Les 2 types d’additifs actuellement utilisés sont soit à base de cérium, soit à base de fer et strontium. On voit émerger une nouvelle génération de systèmes que l’on nomme filtres catalytiques. Il s’agit dans ce cas de phases actives catalytiques déposées à l’origine sur l’élément filtrant. L’avantage de la simplicité est compensé par des risques d’inefficacité. Ce procédé est sensible au soufre.

L’injection de l’eau (Wassereindüsung) dans la chambre de combustion est une procédure de réduction des émissions de suie. Des coefficients d’émission toutefois comparables avec un filtre de suie peuvent être obtenus.

Oxyde d’azote

La récupération des gaz d’échappement peut être utilisée pour réduire les émissions d’oxyde d’azote. Une partie des gaz d’échappement est conduite, par le système d’aspiration du moteur, à nouveau à l’air de combustion et/ou au mélange combustible. Cette procédure conduit généralement à une augmentation des émissions de particules et à une diminution du degré d’efficacité de presque 10% et conduit ainsi à une augmentation de la consommation de carburant. Le fonctionnement ainsi que la stabilité du moteur s’aggravent.

Les concentrations d’oxyde d’azote s’élèvent selon le réglage du moteur entre environ 700 mg/m³ et environ 3500 mg/m₃, dans des cas extrêmes jusqu’à 6000 mg/m₃. Par conséquent, les émissions d’oxydes d’azote peuvent être influencées par le réglage du moteur. Il faut considérer qu’un réglage du moteur vers une faible teneur d’oxyde d’azote est lié à une augmentation des émissions de suie.

En ce qui concerne les moteurs d’une puissance calorifique >1MW, les expériences avec la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote montrent que celle-ci est apte pour les moteurs diesel. Des concentrations < 1000 mg/m₃ d’oxyde d’azote dans le gaz d’échappement, peuvent être garanties. L’injection d’eau (Wassereindüsung) dans la chambre de combustion permet d’atteindre des concentrations d’émission d’oxyde d’azote sous 1000 mg/m₃. La valeur objective de 1000 mg/m₃ est ainsi possible du point de vue technique. Une valeur de 500 mg/m₃ ne peut être atteinte que par l’application de la technique SCR (réduction catalytique sélective). Avec l’injection d’eau dans la chambre de combustion des valeurs d’oxyde d’azote entre 600 mg/m₃ et 900 mg/m₃ sont réelles. L’effet physique de cette mesure se trouve dans l’abaissement de la température de pointe lors du processus de combustion, de sorte que par la suite moins d’oxydes d’azote sont formés. L’augmentation de la pression occasionnée par l’évaporation de l’eau (gouttes d’eau explosant) compense en même temps la pression plus petite de la combustion, occasionnée par une température de pointe plus faible, de sorte qu’aucune perte considérable du degré d’efficacité n’est donnée. La quantité d’eau nécessaire s’élève à environ 30% à 50% du besoin en combustible.

La méthode la plus efficace visant la réduction d’oxyde d’azote dans les gaz d’échappement est la réduction catalytique sélective (SCR). En principe, une réduction d’oxydes d’azote avec des gaz comme du monoxyde de carbone, de l’hydrogène ou le méthane est possible. Ces gaz ne réduisent pas les oxydes d’azote de manière sélective, mais sont consommés (oxydés) en grandes quantités par l’oxygène restant dans le gaz d’échappement. Une bonne sélectivité pour la réduction d’oxyde d’azote possède l’ammoniaque (NH₃). L’efficacité de la réaction de réduction sans catalyseur est optimale à des températures de réaction entre 900°C et 1000°C. L’utilisation des catalyseurs permet d’abaisser la température de réaction à des valeurs entre 250°C et 500°C. Des températures supérieures à 500 °C entraînent une décomposition thermique de l’ammoniaque sous la formation supplémentaire des oxydes d’azote. En pratique, l’eau d’ammoniaque ou une solution d’urée aqueuse est utilisée comme agents réducteurs. L’urée montre des avantages dans la manipulation mais ce procédé peut contribuer de façon significative à des émissions d’ammoniaque. La puissance du moteur est signifiante pour déterminer la quantité d’ammoniaque et/ou d’urée.

Oxydes de soufre

Les émissions d’oxyde de soufre dépendent de la qualité du carburant utilisée. L’application d’un combustible avec une teneur en soufre maximale de 0,05 % en masse réduit les émissions considérablement.

Monoxyde de carbone

Une valeur de 300 mg/m³ ne peut être garantie que par l’application d’un catalyseur d’oxydation. Les catalyseurs d’oxydation ne sont offerts en pratique qu’avec un filtre de suie ou qu’avec la procédure SCR.

Matières organiques

Les émissions de matières organiques se situent entre environ 25 mg/m³ et 100 mg/m³. Dans certains cas, des concentrations jusqu’à 150 mg/m³ peuvent être atteintes. Un réglage adapté du moteur et l’utilisation du carburant diesel gardent les émissions des matières organiques dans les limites.

Combinaison de différents procédés

À cause des émissions du moteur diesel, il est nécessaire de combiner différents procédés pour réduire efficacement les rejets des polluants. Selon le mode de fonctionnement et le type de moteur, des combinaisons de filtres de suie avec un catalyseur d’oxydation, du filtre de suie avec une installation SCR ainsi que la combinaison d’un filtre de suie avec un catalyseur d’oxydation et une installation SCR sont utilisés. Avec l’optimisation des différentes composantes, des solutions globales, au fonctionnement respectif de l’installation, sont offertes.