Réduction catalytique sélective
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La réduction catalytique sélective (RCS) (en anglais selective catalytic reduction (SCR)), est une technique utilisée pour réduire les oxydes d'azote (NOx) émis soit par des moteurs à combustion interne, soit par des installations industrielles de combustion : gaz, charbon et pétrole. Cette technologie est également utilisée pour réduire les émissions de NOx de chaufferies biomasse ou d'incinérateurs de déchets non dangereux.
Principe chimique
La réaction d'oxydoréduction mise en œuvre transforme les NOx en diazote N2 et en eau (et en dioxyde de carbone CO2 dans le cas de l'utilisation de l'urée).
Cette conversion est rendue possible par l'injection d'un agent réducteur, le AUS 32, un mélange d'eau et de 32,5 % d'urée synthétique NH2-CO-NH2, d'ammoniac NH3 pur, ou en solutions usuellement à 24,5 %. On utilise plus souvent l'ammoniac pour les grosses installations industrielles, comme les centrales de production d'énergie ou les incinérateurs, tandis que l'urée est plus utilisée pour les petites installations, ou les véhicules.
Cette technique est utilisée depuis la fin des années 1970 dans le traitement des émissions polluantes des installations industrielles. Elle a subi un transfert de technologie depuis les installations fixes vers les camions afin de respecter les niveaux de pollution de la norme Euro 5.
Catalyseurs
Les catalyseurs usuels sont à base de tungstène (élément chimique W) et de vanadium (élément chimique V) sous forme oxydée : W2O3 et V2O5. Ils opèrent à des températures de 220 à 350 °C.
Le catalyseur n'est pas impératif (la réaction peut se produire sans catalyseur). On parle alors de réduction non catalytique sélective (SNCR)[1]. Cependant, le rendement est plus faible, inférieur à 60 % à basse température[réf. nécessaire]. L'efficacité du SNCR monte à 80 % dans des conditions optimales, en particulier des températures non adaptées aux catalyseurs (850 à 1 050 °C)[1].
Utilisations
Dans l'industrie
La réduction catalytique sélective des NOx en utilisant de l'ammoniac comme agent réducteur a été brevetée aux États-Unis par Engelhard Corporation en 1957. Le développement de la technologie RCS s'est poursuivi au Japon et aux États-Unis au début des années 1960, les recherches se concentrant sur des agents catalyseurs moins chers et plus durables. Le premier RCS à grande échelle a été installé par IHI Corporation en 1978.
Cette technologie est maintenant la technologie dominante, quand des rendements de dénitrification de plus de 60 % sont requis. En deçà de ces niveaux de réduction, l'autre technologie importante, la SNCR, qui consiste à injecter directement de l'urée ou de l'ammoniac au foyer, est très utilisée, et moins coûteuse (car elle ne nécessite pas l'installation de catalyseur).
Dans l'automobile
1 : réservoir de la solution uréique ;
2 : canalisation ;
3 : calculateur injecteur ;
4 : injecteur fixé sur la ligne d'échappement ;
5 : catalyseur.
Cette technique est en passe de devenir la technique dominante pour la réduction des NOx pour les véhicules diesel légers pour la mise en place de la norme Euro 6.
L'implantation de ce dispositif sur les voitures pose cependant des contraintes d'encombrement, de poids et de coût : il comprend un catalyseur avec injecteur, un module de dosage, un réservoir et un contrôle en boucle réalisé par deux capteurs NOx, ainsi qu'une surveillance par des capteurs de pression et de température.
Il faut également ajouter un système de pilotage de la pompe de dosage et du réservoir car le point de congélation du mélange eau-urée est de −11 °C. Par ailleurs, les constructeurs doivent garantir la durabilité des dispositifs de contrôle de la pollution pour une distance de 160 000 km et la conformité en service doit pouvoir faire l'objet de vérifications pendant cinq ans ou 100 000 km.
Cette technique est aujourd'hui proposée sur des voitures vendues aux États-Unis où les limites d'émission de NOx sont inférieures à l'Europe et le contrôle OBD plus sévère. L'application de cette technologie de manière extensive sur les petits véhicules à moteur thermique, notamment Diesel, reste cependant à confirmer lors de la mise sur le marché des véhicules répondant aux exigences de la norme Euro 6 de septembre 2014. Des solutions pour résoudre les difficultés techniques de l'injection de l'urée en solution aqueuse dans la ligne d'échappement sont en cours de développement dans le secteur automobile.
La plupart des camions commercialisés en Europe depuis 2008, date de la mise en application de la norme Euro 5, sont aussi équipés du système SCR. Début 2010, il y avait un peu moins d'un million de camions équipés de SCR sur les routes européennes[2].
La consommation du mélange eau-urée synthétique est de 1 à 3 %[réf. nécessaire] du gazole. Des réservoirs de vingt litres permettent de tenir environ 20 000 km. L'intervalle de révision des véhicules pourrait être ramené à ce kilométrage ou le mélange eau-urée synthétique serait disponible en bidon dans les stations-services et serait réalisé par l'utilisateur.
Pour atteindre les niveaux d'émission de NOx requis par la norme Euro 6 (0,08 g/km), un compromis sera sans doute mis en place entre optimisation de la combustion, utilisation d'EGR, et post traitement SCR. Cependant, pour les véhicules particuliers, les choix techniques ne sont pas encore figés. Il est encore possible de voir émerger des choix alternatifs de dosage d'ammoniac (solide SCR ou metal ammine).
À terme, la gestion du SCR n'aura pas d'incidence sur la consommation du moteur. Elle pourra même permettre aux motoristes d'orienter le développement de la combustion principalement vers le rendement et de laisser les polluants à un arsenal de dispositifs de postdépollution efficace. La consommation pourrait être réduite de 5 à 7 %[réf. nécessaire].
La solution à base d'urée est commercialisée dans de plus en plus de stations-services sous le nom « AdBlue » en Europe, « DEF » (Diesel exhaust fluid) aux États-Unis.
Dans la marine
Les gros navires utilisent eux aussi cette technologie pour réduire leurs émissions. Par exemple, en 2017, Yara International affirme avoir installé plus de 1 300 unités[3]. Le fonctionnement est strictement identique aux unités terrestres. Cette réduction des émissions est demandée dans le cadre des zones d'émission contrôlée (ECA).
Les voitures utilisent une urée diluée à 32,5 %, les navires un dosage à 40 %[3].
Une RCS sans agent réducteur : le LNT (Lean NOx trap ou piège à NOx)
Ce système dispose d'un catalyseur à deux couches. La couche inférieure adsorbe, dans un premier temps, les NOx présents dans les gaz d'échappement. Le moteur passe ensuite en mélange riche afin que les hydrocarbures se transforment en dihydrogène H2 et qu'une réaction chimique produise de l'ammoniac. Ce dernier est stocké dans la couche supérieure. Lorsque le moteur retourne en mode pauvre, la réaction entre le NH3 et les NOx des gaz d'échappement produit du diazote. De plus, ce dispositif améliore les caractéristiques de réduction des oxydes d'azote de 200 à 300 °C, soit des températures courantes dans la ligne d'échappement.
Un prototype a fonctionné en 2006 et un véhicule devait être commercialisé en 2009. Il ne l'était pas encore en 2010.
La plupart des moteurs de l’alliance Renault-Nissan utilisent aujourd'hui le piège à NOx - moins efficace[4] - plutôt que le SCR sur leurs moteurs diesel[5] respectant la norme Euro 6b.
Notes et références
- (en) Yara International, « SNCR systems to reduce NOx emissions », Présentation des systèmes de réduction sélective sans catalyseur, sur www.yara.ie, Yara Ireland (consulté le )
- Diesel Emissions Conference & AdBlue Forum Europe, 22-24 juin 2010, Francfort-sur-le-Main
- (en) Yara International, « Yara : Selective Catalytic Reduction (SCR) systems for marine vessels », Présentation des systèmes SCR installés par Yara International pour les navires, sur www.yara.ie (consulté le )
- « Pollution au diesel : la deuxième série de tests confirme des dépassements de normes », sur leparisien.f,
- Diesel : pourquoi Renault a choisi le piège à NOx plutôt que le SCR, sur challenges.fr, 11 avril 2016 (consulté le 21 mars 2017)
Sources
- Innovations et technologies, revue Ingénieurs de l'automobile, SIA, 1er mai 2010.
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
- Jean-Luc Moreau et Jean-Paul Morin, Peut-on vraiment dépolluer un Diesel ?, revue Voiture écologique, mai-juillet 2012, p. 10-17.
- (en) « ISO 22241-1:2006 (en) — Diesel engines — NOx reduction agent AUS 32 — Part 1: Quality requirements ».
- (en) Solid Ammonia storage - technology progress 2012.
