Filtre à particules

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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

Un filtre à particules est un système de filtration utilisé pour retenir les fines particules, réputées cancérigènes, contenues dans les gaz de combustion. Ces particules de suie sont essentiellement composées de carbone et ont typiquement une taille comprise entre 10 nm et un micromètre.

Ces filtres équipent des moteurs Diesel et des systèmes de chauffage au bois.

Filtres à particules sur moteurs diesel

L'utilisation du filtre à particules deviendra probablement généralisée à l'horizon 2009 avec l'entrée en vigueur de la norme d'émission Euro 5. Les particules les plus fines (nanoparticules) sont cependant mal retenues par les filtres existants.

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 ayant déposé un brevet pour ce procédé de régénération, 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^[1]. 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^[2].

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/m^3[3], 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 , 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 d'un demi billion 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.

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^[4].
• La réglementation européenne tend en 2007 à moins suivre les avis scientifiques^[5] (A titre d'exemple, Denis Zmirou-Navier^[6] 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^[7]., le système s'est progressivement étendu au haut de gamme et à la gamme moyenne des véhicules diesel commercialisés en Europe.

Filtres à particules pour les chauffages au bois

Comme les moteurs Diesel, la combustion de bois est principalement émettrice de particules très fines (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.
- Pour les chaufferies au bois collectives et industrielles, sont développés des systèmes de dépollution performants (notamment des filtres électrostatiques (encore appelés électrofiltres) et des filtres à manches)^[8]. 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 »^[9].

Suisse

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^[10] ; 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 : Filtres à particules électrostatiques (format PDF).

Ces filtres sont d'autant plus indispensables que la combustion complète du bois émet encore des quantités notables d'oxydes d'azote (l'azote provient essentiellement des amines et des protéines du bois) et de particules fines formées principalement à partir de minéraux contenus dans les cendres^[11],[12].
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 ; il est nécessaire d'équiper l'appareil d'un filtre à particules pour réduire ces émissions^[13].

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 particule 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) »^[14].
• 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 (format PDF).

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 » (2ème page du document).

• Un troisième document des OFEN et OFEV^[15], 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 (pp. 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^[12] 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 (pp. 4 et 6).

• La ville de Lausanne, par exemple, recommande l'utilisation de filtres à particules pour les chauffages domestiques au bois^[16].

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 et des transports (transport routier et autres transports), pour l'année 2009 en France métropolitaine, en % des émissions totales (selon les estimations du CITEPA, qui assure la réalisation technique des inventaires de la pollution atmosphérique) :

PM10 = particules de taille inférieure à 10 micromètres - PM2,5 = particules fines - PM1,0 = particules très fines - HAP = Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (sous-produits de combustion incomplète, toxiques ou cancérigènes, véhiculés par les particules solides^[17])

Emissions nationales de quelques polluants (% en masse) pour l'année 2009
(rapport SECTEN - mise à jour d'avril 2011)^[18]

	Participation à la consommation d'énergie finale	PM10	PM2,5	PM1,0	HAP
Bois énergie	3 %	21	33	59	62
Transports	31 %	12	13	19	26

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 »^[19].

• Les filtres adaptés au chauffage domestique sont évoqués dans certains articles, comme ceux présentés sur le « Portail Francophone des Bioénergies »^[20],[21].
• Ils figurent parmi les objectifs du Plan Particules, intégré dans le deuxième Plan National Santé Environnement^[22].
• 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 »^[23].

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 »^[24].

Notes

Voir aussi

Articles connexes

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

Bibliographie

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Liens externes

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