3. Bilan / Principaux résultats obtenus
3.1. Résultats mesures intermédiaires juin 2019
3.1.2. Cas des particules
3.1.2. Cas des particules fines
Les particules ont été mesurées en masse (représentatif des PM2,5/PM10) et en nombre (représentatif des PM<1), à la fois en amont du système, et en aval (valeurs réelles et non théoriques).
Les résultats sont supérieurs aux attentes, puisque la réduction en nombre (PM<1) mesurée est de 99%, alors que le critère de réussite se situe entre 40 et 60%.
Figure 44 : Efficacité réduction PM au HFO 2,5%S (Extrait rapport CERTAM CX57 d’août 2019)
Figure 45 : Efficacité réduction PM au MDO 0,1%S (Extrait rapport CERTAM CX57 d’août 2019)
3.1.3. Récapitulatif de l’efficacité de filtration en particules du FAP
Figure 46 : Récapitulatif mesures FAP (Extrait rapport CERTAM CX57 d’août 2019)
3.2. Résultats mesures finales des particules en octobre 2019 (seconde campagne)
Cette deuxième campagne de mesures a été la campagne finale prévue au planning dans le but de valider l’efficacité du process en termes de particules.
Contrairement à la première campagne, et pour des raisons de coût, de disponibilité du HFO 2,5% et de réglementation, il a été décidé de ne pas faire de tests au HFO 2,5%, la première campagne étant suffisamment représentative avec ce combustible. Les tests ont donc été effectués au MDO 0,1%S et au HFO 1,5%S durant cinq traversées.
Les résultats obtenus confirment ceux mesurés en juin 2019, à savoir une réduction des particules de 99,99%.
Figure 47 : Concentration massique particules (Extrait rapport CERTAM CX77 d’octobre 2019) En 1, et 2 : Respectivement mesures en aval du filtre à particules
En 3, 4 et 5 : Respectivement mesures en amont du filtre à particules durant la traversée n°4, la traversée n°5 avec injection de Bicar, et 5 sans injection de Bicar.
Le tableau suivant donne les valeurs comparatives en amont/aval du FAP, dans la configuration du moteur de propulsion MP3 avec un taux de charge de 85% lors d’un fonctionnement avec un carburant HFO d’une teneur en soufre de 1,5%. On y voit par exemple les mesures ont été limitées par les capacité de détection des appareils de mesures.
Figure 48 : Comparatif amont/aval MP3 85% de charge avec HFO 1,5%S (Extrait rapport CERTAM CX77 d’octobre 2019)
3.3. Bilan des critères définis
3.1.1. Critère SO
2Le ratio SO2/CO2 recherché est atteint pour une utilisation de HFO 2,5%S, et l’approbation MARPOL (Module G) validée par le DNV-GL, pour les valeurs de consignes suivantes (cf rapports CERTAM CX57 et CX77) :
- Consigne sortie 0,1% de soufre : ratio atteint < 4.3 - Consigne sortie 0,5% de soufre : ratio atteint < 21,7
Critère validé. Le système répond au besoin du respect de la réglementation MARPOL 2020 (0,5%S) et des zones SECA (0,1%S).
3.1.2. Critère particules
Les résultats des mesures de réduction des particules sont au-delà des attentes :
- Mesure en masse (cas des PM2,5/PM10) < 10 mg/m3 proche de zéro en sortie ;
- Mesure en nombre (cas des PM<1) : réduction attendue entre 40 et 60% réduction de 99 ,9% en sortie.
Le système de dépollution installé sur le Piana répond parfaitement aux objectifs en termes d’efficacité sur les particules. Le système de mesure selon la norme ISO 23210 (PM1, PM2,5, PM10 et TSP) a permis de montrer la parfaite efficacité du filtre (> 99,9%) pour les différentes fractions granulométriques qui n’avaient pu être caractérisées lors de la première campagne.
Ces résultats montrent aussi que le système installé est comparable en terme de réduction de particules à un filtre à particules céramique de type automobile (équivalent à EURO6) et qu’il présente une efficacité sur le SO2 largement aussi élevée (>99%) que celle d’un SCRUBBER (voie humide), ce dernier étant totalement inefficace sur les particules fines.
Critère validé. Le système permet d’aller au-delà de la réglementation actuelle et d’anticiper la création de zones PECA (Particles Emission Control Area).
3.1.3. Contre-pression
Les mesures de contre-pression de tout le système sont conformes au cahier des charges :
Figure 49 : Tableau récapitulatif contre-pression Critère validé.
3.1.4. Consommation BICAR
®/Production Résidus
Les valeurs mesurées ne devaient pas dépasser les valeurs garanties ci-dessous :
Figure 50 : Tableau récapitulatif de la consommation de produit réactif
Les mesures pour l’utilisation de HFO 1,5%S (0,85 en réel) et une consigne de 0,1% ont été les suivants :
Figure 51 : Tableau récapitulatif de la consommation relative de produit réactif et de carburant HFO 1,5%
Valeur moyenne mesurée au 0,85%S: 27,98 kg de BICAR par tonne de Fuel Extrapolation des valeurs du tableau « référence » :
La valeur mesurée de BICAR® (28 kg/tonne) pour un HFO à 0,85%S est donc inférieure à la valeur attendue (51,04 kg/tonne)
Les mesures pour l’utilisation de HFO 3,5%S (2,5%S en réel) et une consigne de 0,1% ont été les suivants :
Figure 52 : Tableau de la consommation relative de produit réactif et de carburant HFO 3,5%
La valeur mesurée de BICAR® (176 kg/tonne) pour un HFO à 2,5%S est donc comprise entre la valeur attendue (151 kg/tonne) et la valeur garantie (189 kg/tonne).
Critère validé. Les valeurs de consommation de BICAR® et de production de résidu sont conformes voire inférieures aux valeurs garanties par Solvay.
3.1.5. Vibrations
Les valeurs de vibrations à ne pas dépasser, conformément à la marque « CONF NOISE » du navire était de 4,2 mm/s max. Les valeurs maximums mesurées lors des essais sont de 1,7 mm/s.
Critère validé.
3.1.6. Bruit
La valeur d’abattement de bruit retenu pour l’élément « filtre » du FAP était la valeur de réduction des silencieux d’échappement d’origine présents sur le navire, soit un abattement de 35 dBA, l’objectif étant une augmentation du niveau sonore liée au FAP proche de zéro.
Les mesures ont révélé une non-conformité, puisque le niveau sonore mesuré après installation du système est supérieur d’environ 8 dBA par rapport à avant l’installation.
Pour rappel, le silencieux du moteur de propulsion n°3 et du groupe électrogène n°1 ont été supprimés.
Il est donc prévu de remettre en place le silencieux du groupe électrogène (le plus problématique).
Le fait que les collecteurs d’échappement situés à l’extérieur de la cheminée n’aient pas été calorifugés (pour raison de budget et de test) laisse supposer que le bruit sera atténué lors du retrofit (calorifuge prévus).
Le critère n’est pas validé « contractuellement », mais ne présente pas une remise en question du système.
3.1.7. Maintenance et automatisation
Ce critère est très important pour La Méridionale, puisque c’est celui qui détermine si la charge de travail liée à la conduite et à la maintenance du système peut être absorbée par les équipes du navire, ou si, à contrario, une ressource supplémentaire est nécessaire.
La définition de ce critère était la suivante :
« Pendant la Période Opérationnelle d’Essai en Mer (nuit), aucune action humaine ne doit interférer avec la conduite du Système : le fonctionnement du Système doit être entièrement automatique pendant le trajet du continent français vers la Corse.
La maintenance standard du système (heures de main d’oeuvre) ne doit pas dépasser les recommandations d’ANDRITZ comme indiqué dans son manuel. »
Il s’avère que la période de prise en main par le bord a révélé une non-conformité de ce critère, puisque de nombreuses alarmes (principalement de capteurs, régulation, etc…) ont nécessité une intervention humaine durant les traversées de nuit en mode automatique.
Ce critère est donc non conforme.
Depuis, l’optimisation du système et de sa régulation a permis de réduire drastiquement le nombre de ces alarmes et dysfonctionnements.
Malgré cette non-conformité « critique », et au vu de l’optimisation possible du système d’ici le retrofit, La Méridionale a décidé de valider le retrofit complet du navire, en définissant plus précisément ce critère afin d’apporter une garantie de succès de celui-ci.
4. Recommandations
Ce projet d’expérimentation d’un post-traitement des particules fines et des oxydes de soufre réalisé sur un moteur de propulsion et une groupe électrogène a eu l’intérêt pour La Méridionale de mettre en avant les problèmes qu’il est possible de rencontrer avec cette technologie, et ce avant la décision d’équiper l’intégralité du navire.
Au-delà des critères de bruit et de maintenance/automatisation révélés non-conformes, et qui seront pris en compte pour la phase de retrofit complet du navire, le système a démontré la particularité de la conduite liée à l’utilisation de produit sec, procédé peu commun sur les navires, habitués à travailler avec des fluides « liquides ».
Cette expérience acquise avant le retrofit permet aux équipes du navire de ne pas avoir de surprises lors de la mise en service du système suite au retrofit, et donc de bénéficier d’une prise en main et d’une exploitation du système plus rapide.
Cette approche graduelle et en vraie grandeur est donc à recommander pour de futures expérimentations dans le transport maritime.
5. Conclusion / Perspectives
Le projet « TEST FAP » a démontré avec succès la viabilité et l’efficacité d’un système de traitement des particules sur un navire de forte puissance représentatif de la flotte de commerce mondiale, et le dit système existant depuis près de 20 ans sur les installations à « terre ».
Les mesures réalisées par la société CERTAM, experte en la matière, ont démontré que le FAP installé sur le PIANA allait bien au-delà d’un FAP « routier » en terme de réduction des particules fines, avec un résultat supérieur à 99,9% de réduction, notamment les particules ultrafines ou nanoparticules (PM<1).
Ce système permet au navire de se conformer à au niveau réglementaire existante à terre, à défaut d’une réglementation applicable au transport maritime.
Le deuxième bénéfice du projet est la performance de réduction du dioxyde de soufre (SO2), conformément à la réglementation maritime internationale (MARPOL) existante actuellement concernant la réduction des émissions, avec des résultats permettant d’obtenir des émissions inférieures à celles obtenues avec un fuel à faible teneur (0,1% de soufre) tout en utilisant du fuel à haute teneur en soufre (HSFO). Le système permet donc à l’armateur d’être prêt en cas de navigation du navire en zone SECA.
Ce point est important car le FAP permet alors d’être une vraie alternative aux SCRUBBERS, avec l’avantage d’une capacité de traitement des particules fines et et plus respectueux de l’environnement car sans aucun rejet à la mer.
Le projet a également bénéficié au fabricant de filtre Andritz et au fournisseur de réactif Solvay, qui ont pu valider pour la première fois la conception et l’efficacité de ce système/process dans le milieu du maritime.
L’intégration du système, bien que plus volumineux qu’une tour de lavage, est rendue plus « légère » du fait de la simplicité du process. Les seuls réseaux à mettre en place sont des réseaux de petite section (BICAR, résidu, air comprimé). Aucun réseau d’eau de mer de forte section, ni de local pompe n’est nécessaire.
Reste le consommable, qui nécessite des capacités de stockage, et un coût d’exploitation non négligeable, puisque ce système fonctionne en traitement permanent, contrairement aux SCRUBBERS dit « Hybride », qui permettent aux navire de fonctionner en boucle fermée dans les zones réglementées (stockage à bord des eaux de lavage), et de passer en boucle ouverte lorsqu’ils sont en haute mer (rejet à la mer des eaux de lavage sans filtration, ce qui n’est pas acceptable sur le plan environnemental même si ce mode de fonctionnement est autorisé par l’Organisation maritime internationale).
Le budget estimé pour l’équipement complet du navire (retrofit), incluant le budget de la phase de test, est d’environ 12 M€. En considérant le coût lié à la consommation/production du BICAR®/résidus, l’écart de prix entre le HSFO (2,5%S) et le LSFO (0,5%S) d’environ 240€ par tonne, et l’estimation des coûts de maintenance annuelle du système, le FAP voit son retour sur investissement (ROI) proche des 6 ans.
Pour l’armateur, le retour sur investissement d’un système FAP, plus important que pour un SCRUBBER à boucle ouverte, constitue donc un point négatif. Cependant, ce système va plus loin en terme de capacité de traitement, en anticipant ainsi les futures réglementations, et offre des possibilités d’évolution en termes de traitement des émissions.
Pour l’ADEME, cette technologie FAP pourrait faire l’objet d’une ACV comparative avec les SCRUBBERS, de façon à prendre en compte les impacts globaux des deux technologies sur l’environnement marin et sur la santé publique.
Les perspectives
:Forte de cette expérience, La Méridionale souhaite désormais aller plus loin, en testant un système de traitement des oxydes d’azote (NOx) intégré directement dans le FAP, c’est-à-dire sans ajout de matériel.
Ce test doit être réalisé sur 2020, en amont du retrofit complet du navire prévu début 2021, avec pour objectif d’obtenir un système 3 en 1 (SOx, NOx, Particules), équivalent à la norme EURO6 ou au GNL (Hors CO2).
Cette évolution consistera en la substitution des manches, par un élément filtrant catalytique, avec injection d’urée, selon le même principe que les SCR (Selective Catalytic Reduction).
Références bibliographiques
- Convention MARPOL : Convention internationale pour la prévention de la pollution par les navires
- Marques additionnelles de classification « CONF NOISE » de la société de classification Bureau Veritas
- Les lignes directrices de 2005 de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) relatives à la qualité de l’air : particules, ozone, dioxyde d’azote et dioxyde de soufre. Mise à jour mondiale 2005. Synthèse de l’évaluation des risques. (WHO/SDE/PHE/OEH/06.02)
- Norme ISO-23210 : Émissions de sources fixes - Détermination de la concentration en masse de PM10/PM2,5 dans les effluents gazeux - Mesurage à des faibles concentrations au moyen d'impacteurs
- Norme NF X44-052 : Émissions de sources fixes - Détermination de fortes concentrations massiques de poussières - Méthode gravimétrique manuelle
- Norme NF 779 : Filtres à air de ventilation générale pour l'élimination des particules - Détermination des performances de filtration
Index des figures
Figure 1 : Les effets des particules sur l’organisme (source La Méridionale) ... 6
Figure 2 : Comparatif réglementation émissions routier/maritime (source La Méridionale) ... 7
Figure 3 : Activation du BICAR® après injection dans les gaz d’échappement (source Solvay) ... 8
Figure 4 : Principe du filtre à manches (source Andritz) ... 8
Figure 5 : Le process du FAP (source Andritz) ... 9
Figure 6 : Intégration du système sur le PIANA (source Orion) ... 10
Figure 7 : Comparatifs des solutions de réduction des émissions (source La Méridionale) ... 11
Figure 8 : Extraits de la préconisations de l’OMS sur les émissions des PM en fonction de la durée d’exposition ... 13
Figure 9 : Niveaux d’émissions en PM10 et PM2,5 fixés par La Méridionale ... 13
Figure 10 : Valeurs du ratio SO2/CO2 des émissions admis par l’Annexe VI de la convention MARPOL, règles 14.1 et 14.4 ... 14
Figure 11 : Valeurs de contre-pression à l’échappement ... 15
Figure 12 : Valeurs consommation BICAR®/Production résidu (source Solvay) ... 15
Figure 13 : Exemple plans Basic Design (source Orion) ... 18
Figure 14 : Exemple Plans Detail Design (source Chantier de l’Atlantique) ... 19
Figure 15 : Mise en place de la structure porteuse en novembre 2018 ... 21
Figure 16 : Livraison des filtres en février 2019 ... 21
Figure 17 : Mise à bord des filtres en mars 2019 ... 22
Figure 18 : Mise en place des échappements en mars 2019 ... 22
Figure 19 : Mise en place des éléments filtrants en mars 2019 ... 23
Figure 20 : Vue arrière des filtres Pont, le 11 mars 2019 ... 23
Figure 21 : Mesures SO2 et approbation DNV-GL en mai 2019 ... 24
Figure 22 : Certification MARPOL Module G DNV-GL en mai 2019 ... 25
Figure 23 : Impacteur ELPI (d’après DEKATI) ... 27
Figure 24 : ELPI chargeur corona (d’après DEKATI) ... 28
Figure 25 : Exemple de distribution (moteur diesel) ... 28
Figure 26 : Electrical Low Pressure Impactor ELPI (Dekati) ... 29
Figure 27 : PTRAK (d’après TSI)... 29
Figure 28 : Principe de fonctionnement du CNC « compteur à noyau de condensation» ... 30
Figure 29 : Principe du TEOM (d’après R&P) ... 30
Figure 30 : Principe du FTIR ... 31
Figure 31 : Sondes de prélèvement ... 31
Figure 32 : Dekati (à gauche) et diluteur FPS (à droite) ... 32
Figure 33 : Principe de fonctionnement du FPS ... 32
Figure 34 : Trappe ISO aval « penthouse », équipée de la sonde pitot (mesure de débit) et de la sonde de prélèvement (mesure des émissions). ... 33
Figure 35 : Installation des baies d’acquisition dans le casing tribord ... 34
Figure 36 : Mesure de particules (masse et granulométrie) ... 35
Figure 37 : Mesure de particules (nombre) et mesure de gaz ... 35
Figure 38 : Exemple de chronogramme ... 36
Figure 39 : Planning du projet ... 37
Figure 40 : Courbe de mesure du SO2 du système de monitoring du FAP ... 39
Figure 41 : Mesure SO2 (ppm) sans dépollution au HFO 2,5%S ... 40
Figure 42 : Mesure SO2 (ppm) en aval du FAP au HFO 2,5%S ... 40
Figure 43 : Efficacité déSOx en % du FAP au HFO 2,5%S ... 40
Figure 44 : Efficacité réduction PM au HFO 2,5%S (Extrait rapport CERTAM CX57 d’août 2019) ... 41
Figure 45 : Efficacité réduction PM au MDO 0,1%S (Extrait rapport CERTAM CX57 d’août 2019) ... 41
Figure 46 : Récapitulatif mesures FAP (Extrait rapport CERTAM CX57 d’août 2019) ... 42
Figure 47 : Concentration massique particules (Extrait rapport CERTAM CX77 d’octobre 2019) ... 43
Figure 48 : Comparatif amont/aval MP3 85% de charge avec HFO 1,5%S (Extrait rapport CERTAM CX77 d’octobre 2019) ... 44
Figure 49 : Tableau récapitulatif contre-pression ... 45
Figure 50 : Tableau récapitulatif de la consommation de produit réactif ... 46
Figure 51 : Tableau récapitulatif de la consommation relative de produit réactif et de carburant HFO 1,5% ... 46
Figure 52 : Tableau de la consommation relative de produit réactif et de carburant HFO 3,5% ... 47
Sigles et acronymes
ADEME Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie CO2 Dioxyde de carbone, gaz à effet de serre
EURO (1à 6) Norme européenne d’émissions fixant les limites des rejets polluants des véhicules routiers
NO Monoxyde d’azote, polluant primaire émis lors de processus de combustion NO2 Dioxyde d’azote, polluant primaire émis lors de processus de combustion NOx Oxydes d’azote (NO + NO2)
PM1 Particules de taille aérodynamique inférieure à 1 μm, exprimées en μg/m3 PM2.5 Particules de taille aérodynamique inférieure à 2,5 μm, exprimées en μg/m3 PM10 Particules de taille aérodynamique inférieure à 10 μm, exprimées en μg/m3 PN Particules en nombre, exprimées en nombre/cm3 (#/cm3)
SO2 Dioxyde d’azote, polluant primaire émis lors de processus de combustion SOx Oxydes de soufre (SO + SO2)
TIER (I à III) Norme internationale MARPOL fixant les limites des rejets de NOx des moteurs marins
L’ADEME EN BREF
À l’ADEME - l’Agence de la transition écologique -, nous sommes résolument engagés dans la lutte contre le réchauffement climatique et la dégradation des ressources.
Sur tous les fronts, nous mobilisons les citoyens, les acteurs économiques et les territoires, leur donnons les moyens de progresser vers une société économe en ressources, plus sobre en carbone, plus juste et harmonieuse.
Dans tous les domaines - énergie, air, économie circulaire, gaspillage alimentaire, déchets, sols… - nous conseillons, facilitons et aidons au financement de nombreux projets, de la recherche jusqu’au partage des solutions.
À tous les niveaux, nous mettons nos capacités d’expertise et de prospective au service des politiques publiques.
L’ADEME est un établissement public sous la tutelle du ministère de la Transition écologique et solidaire et du ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation.
traitement des particules existant sur les installations
« terre » depuis près de 20 ans, sur un navire de forte puissance représentatif de la flotte de commerce mondiale.
Le projet a été mené par la compagnie de Navigation
« La Méridionale », qui a installé ce système de filtre à particules sur son navire Le PIANA, en équipant un moteur de propulsion (10MW) et une groupe électrogène (1,6MW) en tant que démonstrateurs.
Le filtre a été fourni par la société autrichienne ANDRITZ, et le réactif (Bicarbonate de sodium) par la société SOLVAY. L’intégration a été réalisée par La Méridionale.
Les résultats mesurés suite à l’intégration du système montrent une efficacité de réduction de particules en masse et en nombre de l’ordre de 99,9%, soit mieux qu’un filtre à particules routier céramique.
Le système permet à La Méridionale de répondre à la fois à la réglementation MARPOL concernant les émissions d’oxydes de soufre, mais également d’aller plus loin que celle-ci concernant les émissions de particules fines.
La Méridionale valide pour sa part cette technologie et procédera au rétrofit complet du navire début 2021.