Le moteur Diesel est actuellement la solution la plus répandue pour la propulsion des navires. Il s’agit d’une technologie mature et fiable. De plus, les fabricants de moteurs Diesel marins possèdent un réseau bien établi dans le monde entier pour les opérations de maintenance et de vente de pièces de rechange.
36 Des améliorations de la suralimentation, de la technologie d’injection du carburant, de la puissance au frein et des pressions d’allumage ont amélioré la consommation spécifique du carburant dans les moteurs Diesel semi-rapides à quatre temps.
Cependant, cette technologie doit faire face à trois défis: La hausse des coûts des carburants,
Les nouvelles réglementations de réduction des émissions polluantes dans l’atmosphère,
Le risque d’introduction de taxes sur le carbone.
Malgré que ces moteurs possèdent un bon rendement avec de très faibles émissions d’hydrocarbures (HCs) et de monoxyde de carbone (CO), ils émettent dans l’atmosphère d’énormes quantités de particules et d’oxydes d’azote.
Les moteurs Diesel fonctionnent avec un excès d’air. Le carburant est injecté à des pressions élevées dans l’air à la fin de sa compression. Cette compression augmente suffisamment la température de l’air pour provoquer une auto-inflammation du carburant. La combustion se produit à des températures avoisinant les 2000°C. Pour une combustion complète, les produits de combustion contiennent, outre le CO2 et le
H2O, un pourcentage important d’oxygène (O2) et d’azote (N2). Les hautes températures favorisent la formation des oxydes d’azote (NOx). Les NOx sont plus importants dans les moteurs Diesel que dans les moteurs à essence à cause de l’azote et de l’oxygène provenant de l’excès d’air. D’autres émissions telles que les oxydes de soufre (SOx), le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les particules, etc… sont également rencontrées dans les moteurs Diesel. Les émissions typiques d’un moteur Diesel moderne sont présentées dans la Figure 2.12 (Woodyard, 2009). Comme l’indique la figure, les principales émissions des moteurs Diesel marins sont l’azote (N2), l’oxygène (O2), la vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2). L’oxygène, l’azote et la vapeur d’eau ne sont pas toxiques. Le dioxyde de
carbone n’est pas toxique non plus, mais il contribue à l’effet de serre (réchauffement climatique). Malheureusement, c’est un produit inévitable de toute combustion d’un carburant d’origine fossile. 2.7% des émissions mondiales de CO2 proviennent des
37 Figure 2.12. Emissions typiques d’un moteur Diesel moderne à faible régime
Les oxydes d’azote sont générés à partir de l’azote et de l’oxygène à hautes températures de combustion. La formation des NOx augmente avec la température de combustion, le temps de séjour des gaz brûlés à haute température et la quantité d’oxygène. Pour cette raison, les moteurs lents produisent plus de NOx que les moteurs semi rapides et rapides car le processus de combustion s’étend sur une plus longue période. Les émissions des NOx sont néfastes pour la santé humaine car se sont des produits cancérigènes. De plus elles contribuent à l’appauvrissement de la couche d’ozone et provoquent les pluies acides. Environ 15 % des émissions mondiales de NOx sont imputables aux navires (Eyring et al., 2005).
Les émissions de NOx consistent en un mélange de NO et NO2. Comparée aux turbines à gaz et aux moteurs à combustion externes, la concentration du NO2 dans les
gaz d’échappement des moteurs Diesel est beaucoup plus faible, car les réactions d’élimination du NO2 sont rapides et se produisent facilement dans le cylindre avant que les gaz soient expulsés (Miller et Bowman, 1989). Par conséquent, les émissions de NO représentent 90 à 99 % des émissions totales de NOx contenues dans les gaz d’échappement des moteurs Diesel (Ferguson et Kirkpatrick, 2001 et Cai et al., 2011).
38 Les oxydes de soufre (SOx) sont produits par oxydation du soufre contenu dans le carburant. Comparés aux applications terrestres, les carburants marins contiennent une teneur élevée en soufre atteignant jusqu’à +4.5%, ce qui contribue de manière significative dans les émissions mondiales d’oxyde de soufre dans les mers et les régions portuaires. Les SOx représentent une source majeure des pluies acides. En outre, ils peuvent être transportés sur de longues distances dans l’atmosphère avant d’être déposés dans les lacs et les cours d’eau, provoquant une réduction de leur alcalinité. Des études ont montré qu’environ 5-8% des émissions mondiales de SOx sont attribuables aux navires (Eyring et al., 2005).
Les particules sont un mélange complexe de composés organiques et inorganiques. Leur formation dépend de nombreux facteurs, tels que la combustion incomplète, les cendres dans les carburants, le fractionnement thermique du carburant et de l’huile de graissage, sulfates et eau, etc…
Les émissions du monoxyde de carbone (CO) sont généralement faibles pour les moteurs Diesel comparés aux moteurs à essence. Dans les moteurs Diesel marins, la formation est fortement influencée par l’homogénéité du mélange air-carburant dans la chambre de combustion. Le CO résulte de la combustion incomplète en raison d’une insuffisance locale en oxygène et de la dissociation du dioxyde de carbone. C’est un produit toxique pour les êtres vivants.
Les émissions d’hydrocarbures des moteurs Diesel sont aussi généralement faibles que celles des moteurs à essence. Dans les moteurs Diesel marins, les hydrocarbures sont créés par la combustion incomplète du carburant et de l’huile de lubrification, et l’évaporation du carburant. Ils peuvent être également émis directement par évaporation à partir de cargaisons telles que le pétrole et les produits pétroliers. Les hydrocarbures sont considérés comme des produits cancérigènes et ils contribuent à l’effet de serre.