Les filtres à particules catalysés

Détoxification efficiente des gaz d’échappementdiesel

12 mai 2014 | MARTINA PETER
La voie vers un air plus propre passe par les filtres à particules et les technologies de réduction catalytique des oxydes d’azote. Cette voie est toutefois semée d’embuches, comme le montre la discussion actuelle au sein du Conseil national sur l’obligation de post-équipement des véhicules diesel avec des filtres à particules. Quelles sont les substances toxiques que renferment les gaz d’échappement, quels sont les filtres efficaces et quels sont ceux qui ont des effets secondaires ? Lors du forum de l’association VERT (Verification of Emission Reduction Technologies), plus de 20 orateurs des milieux de la recherche, de l’industrie et des instances publiques ont exposés leurs expériences avec les filtres à particules diesel et ont présenté des projets exemplaires de post-équipement menés à bien dans des mégapoles telles que Bogota et Téhéran.
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Grâce aux filtres à particules dont ils sont équipés, les véhicules diesel les plus récents (Euro-6) n’émettent pratiquement plus de particules de suies nuisibles à la santé. Toutefois de nombreux camions, autobus, engins de chantier ou locomotives diesel plus anciens circulent sans filtres. Il serait cependant tout à fait possible des procéder à leur post-équipement – un thème des plus actuels comme le montrent les débats qui ont eu lieu le 6 mai au Conseil national. Il y a quelques années déjà, l’Empa a développé, en collaboration avec l’industrie, des instituts de recherche et les autorités, un test permettant d’évaluer ces filtres. Il s’agissait alors de réduire les émissions diesel lors de la construction des tunnels de la NLFA. Ce test permet de vérifier si un filtre épure suffisamment les gaz d’échappement diesel. Un filtre au bénéfice de la certification VERT garantit que sont efficacité à filtrer ces particules est supérieure à 97 %. Un problème qui demeure toutefois non résolu est celui des composés volatils, et plus particulièrement des substances génotoxiques – autrement dit qui modifient le patrimoine génétique.

Les gaz d’échappement diesel sont génotoxiques
En 2012, l’OMS a classé les gaz d’échappement diesel dans la clase la plus élevée des substances génotoxiques. L’exposition aux gaz d’échappement diesel peut provoquer le cancer des poumons. Ce qu’il faut alors, c’est un traitement des gaz d’échappement qui décompose ces substances cancérogènes. Mais que ce passe-t-il exactement avec ces substances dans les filtres à particules ? Est-ce qu’elles sont effectivement décomposées ou seulement emmagasinées pour être ensuite à nouveau libérées à haute température? Est-ce qu’il peut même se former de nouvelles substances toxiques, telles que le dioxyde d’azote qui provoque des inflammations, des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) cancérogènes ou même de la dioxine, ainsi que l’a montré dans son exposé le chimiste de l’Empa Norbert Heeb lors du forum VERT le 21 mars à l’Académie Empa. Avec des tests sur des cellules pulmonaires humaines, Sando Steiner de l’Université de Fribourg a démontré qu’à elle seule la filtration ne permet pas de réduire la génotoxicité des gaz d’échappement diesel. Seuls les filtres à activité catalytique sont en mesure de décomposer aussi les substances génotoxiques. Raison pour laquelle la majorité des filtres à particules diesel actuels sont aussi équipés de catalyseurs efficaces.
 

Le post-équipement des véhicules diesel plus anciens est tout à fait faisable, ainsi que le montrent divers fabricants qui offrent par exemple de tels systèmes pour les locomotives diesel. Ces systèmes fonctionnent par combustion et catalyse assurée soit par des additifs ajoutés au carburant soit par des revêtements catalytiques adéquats qui assurent la combustion totale de la suie et des autres substances déposées dans le filtre.

Des filtres à particules pour les moteurs à essence
Le développement des technologies de filtration ne se limite pas seulement aux moteurs diesel. Les moteurs à essence utilisant la technologie GDI («gasoline direct injection»), introduite à l’origine par Mitsubishi et Hyundai, émettent eux aussi des particules de suie. Et souvent leurs émissions sont supérieures à la valeur limite de 600 milliards de particules par kilomètre applicable aux véhicules diesel. Tout comme celles des moteurs diesel, les particules de ces moteurs à essence se forment à haute pression et, avec une taille de 20 à 60 nanomètres, elles sont même encore plus petites que la plupart des particules diesel. Ce qui est inquiétant car elles sont ainsi plus de cent fois plus petites que les particules de dix micromètres (PM10) qui servent actuellement d’indicateurs pour la qualité de l’air et qu’elles peuvent ainsi pénétrer profondément dans les poumons.
Comme la technologie GDI va s’imposer dans l’univers de l’automobile, les chercheurs de la Haute école spécialisée bernoise à Bienne, de la Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), de l’Empa et du PSI ont lancé le projet «GasOMep» («Gasoline Cars Organic & Metal Particles»). Lors du forum VERT, Jan Czerwinski de la Haute école spécialisée bernoise a présenté ce projet destiné à approfondir les connaissances sur les particules et les gaz d’échappement de ces véhicules et à tester sur eux les technologies de filtration les plus récentes. Ce projet est financé par l’Office fédéral de l’environnement (OFEV), l’industrie et le Centre de compétence pour l’énergie et la mobilité (CCEM) du Domaine des EPF.
Les meilleurs systèmes de filtration ne servent toutefois à rien si les prescriptions légales nécessaires font défaut. Nino Künzli, Président de la Commission fédérale de l’hygiène de l’air (CFHA), a exposé comment la recherche amène souvent le législateur à réviser ses prescriptions. Cette commission extra-parlementaire recommande au vu des nouveaux résultats de la recherche de fixer aussi une valeur limite d’immission pour les particules plus fines (PM2.5) dans l’Ordonnance fédérale sur la protection de l’air.
 

Des appareils de mesure pour les nanoparticules
Les particules de combustion sont invisibles. Leur taille est inférieure à 100 nanomètres (PM0.1), il n’est pas possible de les peser et elles restent en suspension dans l’air. Comment alors mesurer des particules d’un taille aussi faible? C’est le défi auquel les autorités sont confrontées. Comment vérifier si les systèmes de filtration destinés à les éliminer fonctionnent effectivement et comment contrôler les camions sur les autoroutes et les engins sur les chantiers? Il serait souhaitable de disposer d’appareils mobiles qui mesurent le nombre de particules directement à la sortie du tuyau d’échappement. Quelques orateurs ont présentés lors de ce forum des solutions qui sont déjà disponibles sur le marché ou qui vont être prochainement commercialisées et qui sont capables de fournir des informations détaillées sur les émissions de polluants de véhicules isolés.

 

 
  Une machine de chantier sans filtre à particules qui relâche de la suie diesel dans le ciel bleu de l’aube près de Los Angeles.
 

 

Un problème qui ne connaît pas de frontières
Les gaz d’échappement diesel sont émis partout mais partout aussi les problèmes qui se posent sont différents comme cela ressortait des exposés d’une bonne demi-douzaine d’orateurs du monde entier. A Bogota par exemple – ainsi que l’a expliqué Isabel Molina, représentante du ministère de l’environnement colombien – la totalité de la flotte de véhicules des transports publics, soit environ 12'000 autobus, est en train d’être rééquipée de filtres de la toute dernière génération. Les autorités espèrent ainsi améliorer la qualité de l’air légendairement mauvaise de cette mégapoles de quelques 8 millions d’habitants située à 2'640 mètres d’altitude. En Suisse aussi il existe un besoin de rééquipement, ainsi que l’a montré le récent débat au Conseil national: ici ce sont avant tout les camion Euro-4 et Euro-5 qui, sans filtre, continueraient à nous faire respirer durant des années des gaz d’échappement cancérogènes.

 

 

VERT
La Suisse joue un rôle de pionnier dans le domaine des filtres à particules diesel. Ceci est finalement aussi dû aux efforts de l’association VERT (Verification of Emission Reduction Technologies). Cette association est issue du projet VERT (abréviation de «Verminderung der Emissionen von Realmaschinen im Tunnelbau») lors duquel des fabricants de filtres à particules, les autorités et la SUVA s’étaient réunis autour d’une table pour trouver ensemble des solutions pour détoxifier les gaz d’échappement génotoxiques des engins de chantier diesel dans les tunnels des chantiers de la NLFA. L’association VERT soutien les travaux de recherche et de développement sur les filtres à particules diesel et procède à leur certification. Aujourd’hui plus de 40 filtres certifiés sont en vente dans le monde entier. Les tests de certification VERT ont été développés par Andreas Mayer du bureau d’ingénieurs TTM, Jan Czerwinski de la Haute école spécialisée bernoise à Bienne, Gerhart Leutert de l’OFEV ainsi que Andrea Ulrich et Norbert Heeb de l’Empa.

 
 
 
Les photographies peuvent être téléchargées sous https://flic.kr/s/aHsjY5qjeP.
 
 
 

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18th ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles, 22nd-25th June, 2014, ETH Zürich, Switzerland