Filtre à particules

Pour les articles homonymes, voir Particule.

Un filtre à particules (ou FAP) est un système de filtration utilisé pour retenir les fines particules, cancérogènes pour l'homme, contenues dans les gaz de combustion, particulièrement des cheminées à bois et des moteurs diesel. Ces filtres équipent de plus en plus les échappements des moteurs Diesel récents mais devraient aussi équiper tous les systèmes de chauffage au bois pour réduire la pollution de l'air, surtout dans les villes.

Ces particules de suie sont essentiellement composées de carbone et ont typiquement une taille comprise entre 10 nm et un micromètre.

« Toutes les particules de poussière ne sont pas également dangereuses : les particules de suie émises directement par les moteurs diesel et les chaudières à bois ne nuisent pas qu’aux poumons mais sont aussi cancérigènes et doivent être éliminées autant que possible. »

Filtres à particules sur moteurs diesel

Filtre à particules installé sur une Peugeot.

L'apparition des filtres à particules, en complément du pot catalytique devrait contribuer à diminuer la pollution particulaire des moteurs diesels. Ils doivent être périodiquement régénérés par brûlage des suies, souvent avec l'aide de catalyseurs intégrés dans le filtre

En France, depuis le 1^er janvier 2011, le FAP est devenu obligatoire sur les diesels neufs, cependant il présente, généralement deux inconvénients:

1. les grosses particules sortant du moteur sont fractionnées et deviennent beaucoup plus nombreuses et beaucoup plus petites donc plus dangereuse pour la santé ;
2. Les particules les plus fines (nanoparticules) sont mal retenues par les filtres existants ce qui entraîne une plus grande dispersion de ces particules fines avec un risque accru d'absorption par le corps de ces particules cancérigènes.

Géométrie

Sur les véhicules légers à moteurs Diesel, les filtres à particules sont constitués d'un nid d'abeille extrudé en céramique frittée. Les canaux du nid d’abeille sont bouchés alternativement en entrée et en sortie du filtre afin de forcer le passage des gaz à travers les parois poreuses pour collecter les particules. Différentes formes géométriques des canaux sont possibles, couramment de section carrée, mais des canaux de section triangulaire peuvent également être envisagés.

À l'origine, ces filtres étaient réalisés en cordiérite. Les contraintes spécifiques associées au fonctionnement embarqué sur véhicule léger a conduit les différents fabricants de filtres à remplacer la cordiérite par une autre céramique. Le carbure de silicium dispose notamment d’une conductivité thermique plus élevée qui permet de mieux dissiper la chaleur dégagée par la combustion des suies ; cela permet d’obtenir une bien meilleure résistance à la fonte et à la fissuration.

Fonctionnement

Phase 1 - Filtration 

La capture des particules dans le filtre est obtenue par filtration. L'accumulation des particules conduit à la formation d'une couche de suie sur les parois qui, dans un premier temps, améliore l'efficacité de la filtration (95 à 99 % en masse des particules peuvent être collectées dans le filtre). Cependant, cette couche poreuse augmente fortement la perte de charge imposée dans le pot d'échappement. Ceci a tendance à nuire au bon fonctionnement du moteur en entraînant notamment une perte de puissance. Un nettoyage (ou régénération) du dispositif devient alors indispensable après quelques centaines de kilomètres.

Phase 2 - Régénération 

Plusieurs méthodes de régénération ont été envisagées, la plus classique est basée sur la combustion des suies par une élévation de la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre. Cette opération nécessite la présence d'une catalyse. Les moteurs Diesel récents (notamment à rampe commune) permettent de contrôler finement la quantité de carburant injectée ainsi que le moment de l'injection : pré-injection, injection principale et post-injection. C'est la post-injection qui aide à la régénération du filtre en envoyant une grande quantité de gazole imbrûlé dans le catalyseur où il va s'enflammer, afin d'élever de façon significative la température des gaz d'échappement pour activer l'oxydation des suies piégées dans le filtre. Certains modèles de filtres, notamment ceux du groupe PSA nécessitent l'ajout d'un composé catalyseur dans le carburant (à base de cérine) afin d'abaisser la température de combustion des suies contenues dans le filtre pour faciliter la régénération de ce dernier. Le groupe PSA Peugeot Citroën ayant déposé un brevet pour ce procédé de régénération et lancé le premier FAP en 2000 sur la Peugeot 607, les autres constructeurs ont dû étudier d'autres procédés, d'où l'introduction de matériaux précieux (platine, palladium…) déposés directement dans le pain du filtre. La température de combustion des suies non additivées étant plus élevée, la régénération du filtre est plus difficile, surtout lorsque le véhicule ne circule qu'en ville.

Limitations

L'efficacité des filtres à particules diminue avec la taille de celles-ci. Même si seulement 1 à 5 % (en masse) des particules échappent aux filtres, leur nombre est très important étant donné que leur taille varie de 0,1 à 1 micromètre. Le problème est que ce sont justement ces particules de moins d'un micromètre qui sont les plus nocives.

Rejets 

D'après les chiffres de certains constructeurs, en fonctionnement normal, la masse totale des particules rejetées par un moteur Diesel après filtration ne dépasse pas 4 mg par km. Mais cela peut représenter des milliards de particules, tout dépend de leur masse individuelle, et les plus fines sont celles qui pénètrent le mieux les poumons. Partant du fait que la masse volumique des particules est de 100 kg/m³, en supposant que le diamètre moyen des particules qui traversent le filtre est de 0,5 micromètre et qu'elles sont sphériques, leur volume est de $\textstyle\frac{4 \pi (0,25 \cdot 10^{-6})^{3}}{3} = \mathrm{ }\scriptstyle 6,545 \cdot 10^{-20}\mathrm{m^3}$, ce qui donne une masse de 6,545×10^-18 kg par particule. En divisant la masse des particules échappant au filtre par la masse d'une particule d'un demi micromètre, on obtient 6×10¹¹, soit plus de 600 milliards de particules par km. Les filtres à particules sont donc loin d'être efficaces à 100 % en nombre de particules filtrées, notamment pour les particules les plus fines comme les benzopyrènes. Ils sont pourtant présentés comme la solution au problème du rejet de particules, en partie à cause de la méthode de mesure des normes Euro basée sur la masse.

Comparaison des émissions de particules entre types de moteurs

Émissions moyennes de particules de différents types de moteurs

Type de moteur	Particules (Nombre/km) (#/km)	Particules (Masse/km) (mg/km)	Diamètre moyen des particules (µm)(**)
Diesel	5×1013	20	0,2
Diesel avec FAP	2×1011	0,5	0,36
Essence classique	1×1011	0,5	0,46
Essence injection directe sans FAP(*)	8×1012	4	0,21

Normes Euro 6

Norme	Particules (Nombre/km) (#/km)	Particules (Masse/km) (mg/km)	Diamètre moyen des particules (µm)(**)
Norme Euro 6 Diesel	6×1011	4,5	0,52
Norme Euro 6 essence	6×1011	4,5	0,52

^(*) Les valeurs indiquées concernent le fonctionnement en mélange pauvre.
^(**) Calculé en supposant que les particules sont sphériques et en partant du fait que leur masse volumique est de 100 kg/m³.

Remarques

• L'évolution des matériaux utilisés, l'optimisation de la géométrie du dispositif et les progrès apportés au fonctionnement des moteurs a permis d'améliorer fortement la durabilité des filtres à particules. À l'origine de 80 000 km sur le 2.2 HDi, premier moteur au monde équipé d'un filtre à particule de série, leur durée de vie a depuis été fortement augmentée, à tel point qu'aujourd'hui certains constructeurs parlent de filtre à particules sans entretien (en réalité l'entretien existe, mais il est automatique, et pris en charge par l'électronique embarquée).
• La difficulté de mise au point de l'intégration de ce système au moteur est avant tout la préservation d'un comportement neutre du moteur pour le conducteur, car dégrader le fonctionnement ne se fait pas sans désagrément.
• Le filtre à particules produit, par l'oxydation des particules diesel, des gaz à effet de serre supplémentaires, contribuant ainsi au réchauffement climatique. Son impact à long terme est ainsi loin d'être négligeable et la question de son intérêt réel doit donc être soulevée (ceci sans compter les dépenses énergétiques nécessaires à sa production). Une alternative est la récupération des particules carbonées.
• Un document de l'OFEV souligne que les mesures ayant pour but la lutte contre l'effet de serre, devant tenir compte de la protection de l'air, ne peuvent intégrer le remplacement des moteurs à essence par des moteurs Diesel, tant que les valeurs limites pour les gaz d’échappement de ces derniers ne seront pas aussi sévères que celles fixées pour lesdits moteurs à essence.
• La réglementation européenne tend en 2007 à moins suivre les avis scientifiques. À titre d'exemple, Denis Zmirou-Navier estime que les études disponibles en 2007 laissent penser que les particules issues des pots d'échappement causent 350 000 morts prématurées par an et dans l’Union européenne, ainsi que de milliers de cancers bronchiques et d’infarctus du myocarde. Pour les particules fines, la France, dans le cadre du Grenelle de l'Environnement, s'est cependant donné un objectif plus ambitieux (limite de 15 µg/m³) que celui de l'Union Européenne (20 à 25 µg/m³).
• Depuis le 1^er janvier 2008, les centres-villes de Berlin, Cologne et Hanovre sont interdits aux voitures diesel dépourvues de filtres à particules.

Commercialisation

Lancé en première mondiale sur la Peugeot 607, le système s'est progressivement étendu au haut de gamme, puis à la gamme moyenne des véhicules Diesel commercialisés en Europe.

Filtres à particules pour les chauffages au bois

Par rapport aux installations de combustion alimentées au fioul ou au gaz, les appareils de chauffage au bois émettent beaucoup plus de polluants atmosphériques, notamment des particules fines cancérogènes. Les émissions de particules fines de tous les chauffages au bois sont plusieurs fois supérieures aux émissions dues aux chauffages au fioul et au gaz, bien que la contribution du bois à la production de chaleur soit en proportion bien plus faible. Les chauffages au bois sont de loin la plus grande source d'émissions de particules fines liées à la combustion.

Comme les moteurs Diesel, la combustion de bois est principalement émettrice de particules très fines (PM1, inférieures à 1 micromètre). Le développement du bois énergie, dans le cadre de la promotion des énergies renouvelables, fait craindre une aggravation de la pollution par les fines particules.

Le traitement des particules est un sujet qui mobilise actuellement toute la filière bois énergie.

Filtres pour les chaufferies

Article détaillé : Filtres et filtration en milieu industriel.

Pour les chaufferies au bois collectives et industrielles, sont développés différents systèmes de dépollution, en l'occurrence des cyclones et des multicyclones, des filtres électrostatiques (encore appelés électrofiltres) et des filtres à manches. Les électrofitres et les filtres à manches sont particulièrement performants. Ces systèmes ont un coût : « Un système minimal renchérit en effet le prix de la chaudière de 20 %. Ce surcoût peut atteindre 100 % pour arriver au niveau de filtration des incinérateurs à ordures ».

Les normes en termes d'émissions de particules étant de plus en plus exigeantes, les performances limitées des cyclones risquent de les disqualifier. Mais de nouveaux cyclones améliorés (technologie ACS, Advanced Cyclone Systems) pourraient concurrencer les électrofiltres et les filtres à manches.

• 

  Cyclone
  air chargé, air purifié et particules

• 

  Multicyclone

• 

  Principe d'un électrofiltre

• 

  Électrofiltre d'une centrale de chauffage à la biomasse

• 

  Filtre à manches

Les électrofitres possèdent de bonnes performances, même pour les particules les plus fines (rendement de captation de l'ordre de 95 % pour les particules de taille 0,1 micromètre).

Filtres pour les chauffages domestiques

Principe d'un électrofiltre pour les chauffages domestiques

Électrofiltres. Ces filtres électrostatiques ont été conçus et développés en Suisse (article infra).

Filtre catalytique. Ce nouveau filtre à particules, présenté et primé en 2011 au 12^e « Salon Bois Énergie », France, serait particulièrement adapté à un usage en chauffage individuel et permettrait de réduire de 80 % les émissions polluantes de la combustion des foyers à bois, en particulier à l’allumage et au rechargement des cheminées. Il fonctionne sans électricité.

• Une vue d'ensemble sur les dernières innovations en termes de filtres à particules pour chaufferies biomasse et chauffage domestique au bois est disponible sur le site déjà référencé ci-dessus.

Nécessité

Ces filtres sont d'autant plus indispensables que la combustion complète du bois émet encore des quantités notables de particules fines formées principalement à partir de minéraux contenus dans les cendres. Outre les particules fines, la combustion complète du bois s'accompagne aussi d'émissions notables d'oxydes d'azote dont la réduction nécessite des techniques spécifiques.

Une chaudière à bois à chargement automatique (chaudière à plaquettes ou chaudière à granulés) émet ainsi « bien davantage » de particules fines et d'oxydes d'azote qu'une chaudière à mazout ; en Suisse, il est recommandé, voire obligatoire selon la puissance de l'installation et le canton, d'équiper l'appareil d'un filtre à particules.

Émissions de PM₁₀ et de NO_x (NO + NO₂) de systèmes de chauffage actuels en Suisse.
Autres émissions = émissions sur la chaîne de production.

Les normes en termes d’émissions de particules devenant de plus en plus exigeantes, le principe de filtre à particules s’avère de plus en plus incontournable.

« Bien que les énergies dites vertes soient une excellente solution parce qu’elles sont neutres dans le cycle du carbone, la biomasse engendre des problèmes d’émissions de particules. Les bioénergies sont donc vertes en CO₂ mais peuvent être polluantes en dégradant la qualité de l’air. […] les normes en termes d’émissions de particules sont de plus en plus exigeantes […] Le problème d’émissions de particules ne se cantonne pas aux chaudières industrielles. En effet les chaudières domestiques sont de plus en plus dans le viseur des autorités de contrôle. On parle de milliers, de dizaines de milliers de chaudières qui dans un futur proche devront être équipées de systèmes de filtration. Cette exigence est déjà en place dans certains pays d’Europe comme la Suisse ou l’Allemagne. ».

La préoccupation envers les particules en suspension est de plus en plus grande, essentiellement pour les particules les plus fines, parfois nanométriques. Du fait de leur taille inférieure au millionième de millimètre [particules PM1 1 micromètre^μm), ces particules sont très dangereuses pour la santé étant capables d’entrer profondément dans les poumons, atteindre les alvéoles pulmonaires et même passer dans la circulation sanguine. Il est désormais démontré que leur présence est associée avec de nombreux cancers; c'est donc un problème majeur de santé publique.

Suisse

La qualité de l’air est avant tout appréhendée comme une préoccupation de santé publique et la Suisse se fixe des objectifs très ambitieux de concentrations dans l’air ambiant, en suivant les recommandations de l’OMS (par exemple : 20  μg/m3 en moyenne annuelle pour les particules fines PM10, alors qu’en Europe la valeur limite est fixée à 40 μg/m3) ; La Suisse a pu adopter des restrictions sévères sur les émissions des chauffages au bois, des engins de chantiers, des bateaux… tout en veillant à ne pas entraver les possibilités d’importation de marchandises construites par des constructeurs étrangers sur son territoire. Elle exige même le respect des normes Euro avant leur entrée en vigueur en Europe ; Enfin, la technologie des filtres à particules est particulièrement développée dans ce pays, avec une application à tous les types d’équipements (véhicules routiers, engins de chantiers, installations de chauffage…) et à toutes les puissances.

La Suisse a été le premier pays à introduire des valeurs limites d’émissions de poussières pour les nouvelles installations de chauffage au bois mises sur le marché. Aujourd’hui, des normes encore plus sévères existent en Allemagne (DIN+), ce qui amène à penser que la Suisse va encore renforcer ses prescriptions.

Source : Conseil régional d'Île-de-France

Outre les filtres à particules adaptés aux chaufferies collectives ou industrielles, des filtres à particules (électrofiltres) pour le chauffage domestique au bois commencent à être développés par des fabricants suisses ; s'ils ne sont pas aussi efficaces que ceux des secteurs collectif et industriel, ils permettent tout de même de réduire très significativement les rejets (60 à 95 % de réduction de PM₁₀). Il existe actuellement trois modèles disponibles.

Développement du bois-énergie : la politique du « oui, mais… »
Plusieurs documents issus des Offices de l'environnement (OFEV) et de l'énergie (OFEN) révèlent la préoccupation de la Confédération sur le sujet.

• Un premier document de l'OFEV concernant les particules fines rappelle que « les particules générées par la combustion de la biomasse (par ex. le bois) présentent un potentiel de toxicité équivalent à celui engendré par la combustion d’énergie fossile (par ex. le diesel) ».
• La position de la Suisse sur le bois-énergie est exprimée dans le titre de cet autre document de l'OFEV : « Chauffages - Du bois d'accord, mais jamais sans filtre ».

Dans ce document, il est précisé que les émissions de particules fines sont le point faible des combustibles solides  : «… Les chauffages à bois en produisaient à eux seuls un sixième, bien plus que les chauffages au mazout et au gaz réunis, et ce malgré le rôle secondaire joué par cette énergie sur le marché. Une disproportion qui s’explique par la difficulté à transformer des combustibles solides en chaleur sans produire de poussières » (2^e page du document).

• Un troisième document des OFEN et OFEV, qui présente un état des lieux complet sur le chauffage au bois, permet de cerner plus précisément le problème. À la différence des moteurs Diesel et des chauffages au fioul qui émettent surtout de la suie, les chauffages au bois peuvent être à l’origine de plusieurs sortes de particules fines (p. 2 et 3) :
  • la suie et les liaisons aromatiques polycycliques qui se forment avec une concentration élevée en cas de combustion incomplète.
  • les sels et oxydes métalliques qui se forment à partir des cendres lors de la combustion complète. Ces particules minérales sont moins nocives que la suie, mais ne sont tout de même pas sans risques puisqu'elles pénètrent jusque dans les poumons (les risques pour la santé sont liés à leur caractère irritant pour les voies respiratoires). Les chauffages automatisés sont à l’origine d’émissions relativement denses de poussières fines contenant des sels et des oxydes;
  • l'incinération de déchets ou de déchets de bois peut aussi dégager d’autres substances nocives telles que des métaux lourds et de la dioxine, qui sont en partie hautement toxiques.
  • Le caractère disproportionné des émissions de particules fines par les chauffages au bois, déjà noté dans le deuxième document, concerne l'ensemble des appareils : « Les chauffages au bois provoquent aujourd’hui des émissions de poussières fines en quantité disproportionnée, qu’il s’agisse des petits chauffages ou des installations automatiques de taille beaucoup plus importante » (p. 6).
  • Le document préconise de mettre en œuvre d'une manière simultanée, et plus rigoureuse qu'auparavant, tous les moyens visant à réduire les émissions de particules des chauffages au bois, dont la filtration des rejets (p. 4 et 6).

La ville de Lausanne, par exemple, recommande l'utilisation de filtres à particules pour les chauffages domestiques au bois.

France métropolitaine

La combustion de bois émet plus de fines particules (et certains autres polluants) que l'ensemble des véhicules Diesel. La réduction de ces émissions devient un véritable enjeu de santé publique, ainsi que le révèlent les données officielles suivantes :

• Émissions dans l'atmosphère comparées du bois-énergie, du fioul domestique, du gaz naturel, du charbon, du gazole et des transports (transport routier et autres transports), pour l'année 2010 en France métropolitaine, en % des émissions totales (selon les estimations du CITEPA, qui assure la réalisation technique des inventaires de la pollution atmosphérique) :

- PM_2,5 = particules de taille inférieure à 2,5 micromètres, appelées « particules fines » ;
- PM_1,0 = « particules très fines », de taille inférieure à 1,0 micromètre, les plus dangereuses pour la santé ;
- HAP = Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (sous-produits de combustion incomplète, toxiques ou cancérigènes, véhiculés par les particules solides) ;

Émissions en France métropolitaine de quelques polluants
(% en masse) année 2010

	Participation à la consommation d'énergie finale	PM2,5	PM1,0	HAP
Bois énergie	3 %	37,1	62,0	69,3
Transports	31 %	15,5	19,5	25,7
Gazole	non disponible	9,76	14,7	22,8
Fioul domestique	non disponible	5,08	8,67	4,46
Charbon	3,6 %	1,37	1,60	0,00
Gaz naturel	21 %	0,59	0,93	0,15

Cette disproportion (déjà notée en Suisse) entre l'importance relativement secondaire du combustible bois sur le marché de l'énergie (il représente 3 % seulement de la consommation d'énergie finale en France métropolitaine) et sa contribution très importante aux émissions de certains polluants majeurs, est le fait principalement du chauffage au bois dans le secteur domestique (85 % du bois-énergie sont utilisés en chauffage individuel), qui plus est seul secteur non contrôlé.

Les principaux documents évoquant la filtration des rejets citent surtout les systèmes de filtration adaptés aux secteurs collectif et industriel.
L'un de ces documents est le rapport « Air et Atmosphère » du Chantier N°33 du Grenelle de l'Environnement, rédigé par le Président du Conseil national de l'air, dans lequel il est signalé que « le recours au chauffage au bois dans un contexte domestique doit être considéré avec prudence ». L’utilisation du bois-énergie « devrait être avant tout privilégiée dans les installations de plus grande puissance (chaudières de collectivité ou industrielles), plus performantes au plan énergétique et pour lesquelles les coûts d’une dépollution efficace (dépoussiérage par « filtre électrostatique » par exemple) peuvent être économiquement acceptables ».
Deux ans auparavant, un rapport du Ministère de l’écologie et du développement durable envisageait déjà, dans sa conclusion, le développement du bois-énergie dans les secteurs «  collectif » et « industriel » .

• Les filtres adaptés au chauffage domestique sont évoqués dans certains articles, comme ceux présentés sur le « Portail Francophone des Bioénergies ».
• Ils figurent parmi les objectifs du Plan Particules, intégré dans le deuxième Plan National Santé Environnement.
• Ils sont également évoqués dans un reportage diffusé au cours d'un journal télévisé qui, après avoir présenté un état des lieux sur le chauffage domestique au bois, souligne la nécessité d'équiper même les appareils performants d'un filtre à particules, l'exemple choisi étant celui d'une chaudière à granulés « dernière génération ».

Autres pays

Seule information trouvée dans un forum du Grenelle de l'environnement : «  La Suède […] envisage de mettre des filtres sur les fumées des chaudières à foyer fermé même sur les installations domestiques ».

Voir aussi

Articles connexes

• HDi
• Précipitateur électrostatique
• Environnement,
• Pollution de l'air
• Aérosols
• Suie
• Pollution acido-particulaire