Tâche 2 : Production

2.1.3.

Pilotage projet

La Méridionale était en charge des éléments suivants :

- Préparation contrat avec Chantier Naval De Marseille pour arrêts techniques (AT) 2018 (pose de la structure porteuse) ;

- Préparation Arrêt Technique (AT) du navire en mars 2019 pour intégration des éléments - Préparation contrat Andritz/Solvay ;

- Calcul de l'estimation générale des coûts ; - Interface avec Andritz ;

- Interface avec chantier ;

- Gestion des interfaces entre participants (sous-traitants) ; - Management du projet ;

- Suivi des dépenses (Cost control) ;

- Définition de la logistique pour chargement / déchargement bicarbonate ; - Évaluation économique (ROI) ;

- Déport Contrôle commande FAP sur supervision globale navire ; - Rédaction spécification pour filtres à particules ;

- Achats AT chantier 2018 ; - Achats Stop Technique 2019 ; - Achats filtres et auxiliaires ;

- Achats équipements hors filtre et auxiliaires ; - Achats pour l'installation du lest solide ; - Achats divers ;

- Logistique, livraisons, stockage ;

- Intégration au système de commande du navire/instrumentation ; - Contrôle commande supervision.

2.2. Tâche 2 : Production

Cette tâche concerne tous les éléments de production. Elle a été pilotée directement par La Méridionale qui a pris en sous-traitance directe la production (sous-traitants, chantier naval de Marseille). Seule la production des filtres et des périphériques du process a été prise en charge par Andritz.

Les principaux postes ont été les suivants :

- La réalisation du penthouse en aluminium ; - La structure porteuse ;

- Les nouveaux tuyaux d’échappement (Moteur principal + groupe électrogène) ; - Le système de réfrigération des gaz d’échappement du groupe électrogène ; - Le tuyautage du Bicarbonate de sodium ;

- Le tuyautage du résidu ;

- Le tuyautage d’air comprimé et de refroidissement des compresseurs ; - La mise en place des filtres et équipements ;

- L’isolation et le bardage des filtres ;

- Le câblage puissance et commande du système ;

- Les modifications de la structure des emménagements sous les filtres ;

- Les modifications de la structure de la maille vide et de la caisse eau douce pour le lest ; - Le coulage du lest liquide.

2.3. Tâche 3 : Intégration

La phase d’intégration a été la plus critique, et a été découpée comme suit :

- Une première mise en place des éléments de structures/tuyauteries/électricité durant les 5 semaines d’arrêt technique périodique de novembre 2018 ;

- Une finalisation (mise en place des filtres, des échappements) pendant les 3 semaines du stop technique exceptionnel de mars 2019.

La société ORION a été en charge des éléments suivants : - Devis des poids / suivi des poids.

Chantiers de l’Atlantique a été en charge des éléments suivants : - Stratégie, méthodes, découpage lots ;

- Industrialisation & préparation ; - Pré-recette (commissioning).

La Méridionale a été en charge des éléments suivants :

- Logistique sur chantier (levages, transfert, stockage chantier) ; - Gestion DNV-GL (société de classe) durant AT ;

- Suivi de chantier.

Figure 15 : Mise en place de la structure porteuse en novembre 2018

Figure 16 : Livraison des filtres en février 2019

Figure 17 : Mise à bord des filtres en mars 2019

Figure 18 : Mise en place des échappements en mars 2019

Figure 19 : Mise en place des éléments filtrants en mars 2019

Figure 20 : Vue arrière des filtres Pont, le 11 mars 2019

2.4. Tâche 4 : Mise en route

La mise en route et l’optimisation ont débuté à partir du 6 mai 2019. Il s’en est suivi un mois de recette et de mise au point du système.

La recette a été réalisée en présence de la société de classification DNV-GL afin de certifier le système selon la convention SOLAS (MED approval) et MARPOL, aboutissant à l’émission du certificat « Module G », autorisant le navire à utiliser un système de traitement des fumées.

La Méridionale était en charge des éléments suivants : - Procédure de recette;

- Acceptation (Factory Acceptance Test) ;

- Mesures bruits / vibrations avant / après travaux.

La société Andritz était en charge des éléments suivants : - Performance du process FAP.

Figure 21 : Mesures SO2 et approbation DNV-GL en mai 2019

Figure 22 : Certification MARPOL Module G DNV-GL en mai 2019

2.5. Tâche 5 : Optimisation

L’optimisation du process et du système dans son ensemble s’est déroulée sur deux mois. Elle a été réalisée par Andritz sous la supervision de La Méridionale, du 15 mai au 15 juillet 2019.

Le fonctionnement du process sur le navire a généré des adaptations, comme l’amélioration du système

« eau industrielle » du navire, du système de collecte des poussières lors du transfert du BICAR, l’adaptation de la supervision du navire pour la gestion des alarmes, ou la modification du programme de l’automate Andritz.

C’est également lors de cette phase qu’ont été effectuées les premières mesures d’émissions du système, mesures réalisées avec 3 types de combustibles différents :

- Du Gasoil 0,1% de soufre ;

- Du HFO (fuel lourd) 1,5% de soufre (le combustible réglementaire à l’époque des mesures) ; - Du HFO 2,5% de soufre (l’équivalent du HSFO autorisé depuis MARPOL2020 en cas

d’utilisation d’un système de traitement des gaz).

L’objet de cette première campagne (préliminaire) était, d’une part, d’avoir un aperçu de l’efficacité du système avant la fin du test prévue en octobre 2019, mais également de préparer la société CERTAM aux mesures finales.

2.6. Tâche 6 : Mise en exploitation par le Bord

La phase de mise en exploitation par le personnel naviguant de La Méridionale a débuté partir du 16 juillet 2019 pour une période de 2 mois.

Cette mise en exploitation correspond à une période d’utilisation du système par La Méridionale dans des conditions normales d’opérations. Toute période d’arrêt du système pour des raisons techniques reporte d’autant la fin de la période d’essai.

Cette période a été complexe, car elle a montré certaines « incompatibilités » avec l’organisation des équipes, et il a fallu adapter la conduite du système, mettre en place des procédures, etc.

Cette période a pris plus de temps que prévu (environ 2 semaines de retard), et s’est étirée jusqu’à la fin du projet. Depuis, les équipes de La Méridionale travaillent encore à l’adéquation de la conduite du FAP et de l’organisation des équipes (cf chapitre BILAN).

2.7. Tâche 7 : Mesures émissions et validation système

C’est durant la dernière semaine de la période de mise en exploitation, soit début septembre 2019, que la société CERTAM devait effectuer les relevés d’émissions permettant de statuer sur les performances du système FAP en termes de réduction des émissions (SOx, NOx, particules, COV, métaux lourds).

Contractuellement avec Andritz et Solvay, le rapport compilant toutes les mesures réalisées durant la période de mise en d’exploitation devait être remis à La Méridionale par CERTAM dans les 2 semaines suivant la fin de la période de mesure, soit fin septembre.

Les mesures ont été principalement réalisées dans des conditions normales d’exploitation, c’est-à-dire à des niveaux de charge du moteur représentatives de situations de « route moyenne ». Des mesures à plus faibles charges, plus représentatives de la manœuvre, ainsi que des mesures à charge maximale ont également été faites.

Cette campagne de mesure a fait suite aux premiers essais réalisés entre le 17 et le 20 juin 2019 sur la liaison régulière Marseille – Bastia. Elle devait permettre de conforter les premiers résultats mais également d’apporter des informations supplémentaires, notamment au regard de la mesure des poussières totales en sortie du système de dépollution à l’aide d’une métrologie par prélèvement selon la norme ISO-23210.

2.7.1.

Matériel métrologique mis en œuvre

Quatre analyseurs, un système de dilution, une sonde de débitmètre et un dispositif de traitement d’air ont été nécessaires pour cette campagne.

- Un granulomètre Dekati ELPI+ pour la mesure en temps réel de la distribution et de la concentration particulaire ;

- Une microbalance TEOM, pour la mesure de la concentration massique particulaire PM1 en temps réel ;

- Deux compteurs à noyaux de condensation TSI Ptrak pour les mesures rapides en air ambiant (dans les zones de travail) ainsi que pour le contrôle des granulomètres et de la qualité de l’air comprimé, traité par nos soins (nécessaire à la dilution de l’échantillon) ;

- Une baie d’analyse FTIR GASMET CX4000, pour l’analyse des gaz ;

- Un préleveur diluteur Dekati FPS pour l’échantillonnage en continu et la dilution des aérosols (particules) ;

- Une sonde de débit de type « Pitot S », équipée d’une sonde de température pour la mesure du débit ;

- Un système de traitement d’air par adsorption, pour l’obtention d’un air de dilution très sec et exempt de particules.

L’ensemble de ce matériel a été installé au niveau du pont n°12, entre le casing tribord et le

« penthouse » contenant les filtres à manches. Il représente un volume total d’environ 3 à 4 m³ pour une masse de 500kg. Le chargement à bord a nécessité une manutention assez lourde. L’ensemble des éléments a pu être amené au pont supérieur au moyen d’un palan motorisé installé sur une potence.

Ces opérations de manutention/installation ont nécessité une journée entière de travail. Le démontage a lui été réalisé sur une demi-journée en fin de campagne.

2.7.1.1. Granulomètre ELPI (Electrical Low Pressure Impactor)

Le granulomètre ELPI permet de mesurer la concentration particulaire d’un aérosol par classe de taille.

Le résultat obtenu est la distribution granulométrique de l’aérosol étudié. Le spectre couvert s’étend de 10 nm à 10 µm. La taille des particules est obtenue par classification inertielle au moyen d’une rampe d’impacteurs montés en cascade et fonctionnant à basse pression. La concentration particulaire est calculée à partir de la mesure de la charge électrique portée par les particules.

2.7.1.1.1. Sélection des particules (taille)

Ce système utilise les propriétés inertielles et aérodynamiques des particules (diamètre de Stokes ou diamètre aérodynamique), contrairement aux analyseurs de mobilité électrique (de type SMPS et DMS) qui s’appuient sur leurs propriétés électriques et aérodynamiques (diamètre de mobilité électrique). Pour trier les particules en fonction de leurs propriétés inertielles, l’ELPI utilise une rampe d’impacteurs montés en cascade. Ils sont au nombre de 13, ce qui permet d’obtenir 13 classes de taille.

Les 13 impacteurs sont tous différents. Le premier est le plus large, il ne recueille que les plus grosses particules alors que le dernier, beaucoup plus étroit, récupère les particules de quelques dizaines de nanomètres. La figure 23 donne une illustration de ce principe. Le pied de la rampe est maintenu à très basse pression (40 mbar), ce qui permet d’augmenter la vitesse des particules afin d’impacter les plus fines. Un impacteur classique fonctionnant à pression atmosphérique ne permet généralement pas d’étudier les particules dont la taille est inférieure à quelques centaines de nanomètres. La rampe de 13 impacteurs est complétée par un étage de filtration permettant d’atteindre la taille de 10 nm (0,01 µm), soit 14 classes au total.

Figure 23 : Impacteur ELPI (d’après DEKATI)

2.7.1.1.2. Comptage des particules (concentration)

Le comptage est électrique dans le cas de l’ELPI. Chaque particule venant impacter sur un des plateaux de l’impacteur lui communique sa ou ses charges électriques. Le flux de charge entre le plateau et le système de mesure (électromètre) provoque un courant électrique. Pour compter les particules de cette manière, il faut imposer à l’aérosol étudié une loi de charge connue afin que les courants mesurés soient interprétables. C’est le rôle d’un chargeur à effet couronne placé à l’entrée du granulomètre et représenté sur la Figure 244. Ce type de détection, bien qu’élémentaire en principe, fait appel à des techniques de métrologie très sophistiquées car la sensibilité des électromètres destinés à mesurer les courants électriques est très élevée (femto-ampère).

Impacteur en

Figure 24 : ELPI chargeur corona (d’après DEKATI)

Figure 25 : Exemple de distribution (moteur diesel) diamètre de Stokes (µm)

0.01 0.1 1 10

dN/d(log(Dp)) /cm3

0 10⁷ 2.0x10⁷

Figure 26 : Electrical Low Pressure Impactor ELPI (Dekati)

2.7.1.2. Compteur complémentaire: PTRAK

Le compteur PTRAK est un compteur de type CNC (compteur à noyau de condensation). Il permet de mesurer toutes les particules dans la gamme (0,03 – 1 µm). Il est également facilement transportable, ce qui le rend très utile pour :

- Vérifier les granulomètres in-situ ;

- Vérifier la qualité de l’air de dilution utilisé ;

- Mesurer les concentrations particulaires ambiantes.

Figure 27 : PTRAK (d’après TSI)

Le comptage des particules est effectué par voie optique. Chaque particule passant dans la cellule de mesure du système diffuse une certaine quantité de lumière permettant de la détecter. Ce principe, très utilisé, notamment par les compteurs de type « salle blanche », présente toutefois une limitation physique majeure qui rend indétectables les particules les plus fines (<0,3 µm). Le compteur utilisé est un CNC. Il permet de régler ce problème et de descendre en taille jusqu’à 20 nm (0,02 µm). Le principe retenu consiste à augmenter artificiellement la taille des particules les plus fines par un procédé de nucléation afin de les rendre détectables.

Figure 28 : Principe de fonctionnement du CNC « compteur à noyau de condensation»

2.7.1.3. Concentration massique particulaire: TEOM

Le système de mesure TEOM « tapered element oscillating microbalance » permet de mesurer la concentration massique particulaire d’un aérosol. Il est basé sur l’utilisation d’une microbalance oscillante, associée à un filtre de collection, dont on cherche à mesurer la fréquence propre de résonance. Au cours du temps, le filtre collecte la matière particulaire transportée par l’aérosol jusqu’à l’appareil. Cette matière particulaire alourdit progressivement l’ensemble (filtre + microbalance), ce qui se traduit par une diminution de sa fréquence propre d’oscillation. Cette variation est directement liée à la variation de masse. La concentration massique est calculée par intégration temporelle.

Etant données les contraintes de prélèvement (longueurs de lignes, dilution) la mesure est limitée à la fraction PM1.

Figure 29 : Principe du TEOM (d’après R&P)

2.7.1.4. Analyse de Gaz FTIR GASMET

Le terme FTIR signifie infrarouge à transformée de Fourier, la méthode privilégiée de la spectroscopie infrarouge. Lorsque les rayons infrarouges (IR) traversent l’échantillon, certains sont absorbés par l’échantillon, tandis que d’autres le traversent (sont transmis). Le signal qui en résulte au niveau du détecteur est un spectre qui représente une “empreinte moléculaire” de l’échantillon. L’utilité de la spectroscopie infrarouge naît du fait que différentes structures chimiques (molécules) produisent différentes empreintes spectrales.

La FTIR utilise l’interférométrie pour enregistrer des informations sur une substance placée dans le faisceau infrarouge. La transformation de Fourier fournit des spectres que les analystes peuvent utiliser pour identifier ou quantifier une substance.

Le spectromètre FTIR GASMET CX4000 est un appareil transportable qui permet d’effectuer des mesures sur site directement à l’émission. L’ensemble du système est chauffé et régulé en température afin d’être utilisable directement sur des installations de combustion, sans dilution.

Figure 30 : Principe du FTIR

2.7.1.5. Echantillonnage et dilution

L’aérosol analysé est prélevé de manière continue au moyen d’une sonde iso-cinétique introduite dans la cheminée, il est ensuite conduit au système de dilution principal à chaud (FPS @ 150°C) via une ligne chauffée puis éventuellement re-dilué une seconde fois à froid avant d’être distribué aux différents analyseurs.

La platine NFX44 qui a été utilisée contient des sondes de différents diamètres permettant d’ajuster la vitesse de prélèvement à la vitesse débitante dans la cheminée. Ceci permet d’approcher au mieux les conditions d’iso-cinétisme.

- (1) première sonde (particules) - (2) deuxième sonde (analyse de gaz) - (3) troisième sonde (réserve)

- (4) quatrième sonde (réserve)

-

(5) orifice pour la mesure vitesse / température / débit

Figure 31 : Sondes de prélèvement

La dilution permet d’abaisser la concentration particulaire mais également le point de rosée afin de rendre possible la mesure.

Figure 32 : Dekati (à gauche) et diluteur FPS (à droite)

Le diluteur FPS est basé sur un éjecteur alimenté en air comprimé. Il contient une restriction (col) qui a pour effet de provoquer une dépression lorsqu’il est traversé par un écoulement. Les effluents sont ainsi aspirés dans la cheminée par effet venturi. Ce principe est moins perturbant pour la phase particulaire qu’une pompe mécanique. L’ensemble du système est régulé en température, étalonné et son débit de prélèvement est contrôlé sur site avant chaque utilisation.

Figure 33 : Principe de fonctionnement du FPS

2.7.1.6. Taux de dilution appliqué et température de prélèvement

Aucune dilution n’a été nécessaire pour l’analyse de gaz, en revanche pour les particules un taux moyen voisin de 100 a dû être appliqué afin de rendre compatibles les concentrations rencontrées avec la gamme de sensibilité des appareils. Ce taux de dilution permet également d’éviter tout risque de condensation d’eau dans les appareils de mesure. Le taux exact a été pris en compte dans les calculs.

Les températures de régulation étaient les suivantes : - Sonde : à la température de l’écoulement ;

- Lignes chauffées (entre sonde et appareils de mesure) : 180°C ;

- Analyseur FTIR : 180°C ; - Diluteur FPS : 150°C ;

- Dilution complémentaire (deuxième dilution) température ambiante ; - Microbalance TEOM : 50°C ;

- Granulomètre ELPI : température ambiante.

2.7.2.

Installation du matériel

2.7.2.1. Trappes normalisées NF X44-052

La trappe de visite NF X44-052 constitue un standard industriel, très répandu en France, permettant de réaliser de manière optimale des prélèvements en introduisant des sondes dans la conduite à étudier. L’ouverture rectangulaire allongée rend possible l’utilisation simultanée de plusieurs sondes ainsi que la pose de cannes courbes, souvent impossible sur des ouvertures circulaires de même surface.

A la demande du CERTAM, deux trappes normalisées ont été posées par La Méridionale, une en amont des filtres, dans le casing tribord et une en aval dans le « penthouse » (figure 34 ci-dessous) :

Figure 34 : Trappe ISO aval « penthouse », équipée de la sonde pitot (mesure de débit) et de la sonde de prélèvement (mesure des émissions).

2.7.2.2. Installation des moyens de mesure

L’installation des appareils de mesure s’est faite à l’intérieur du casing tribord pour les mesures en HFO 2,5% et en MDO (gazole marin). Il s‘agit là de la meilleure configuration possible étant donné les contraintes imposées. Toutefois, lors de la première traversée effective (mesures en HFO 1,5 %), cette configuration optimale n’a pas pu être totalement exploitée (problèmes de condensation rencontrés).

Les résultats en HFO 1,5% ne sont donc que partiellement validés. Ces aléas inévitables lors d’une première campagne sur une installation nouvelle ont été pris en compte en amont par le CERTAM en prévoyant deux traversées supplémentaires.

REMARQUE IMPORTANTE :

Lors de la première campagne, aucun moyen n’a été mis en œuvre pour la mesure des poussières (TSP et/ou PM10). Seules les particules de combustion (PM1) ont été mesurées. La configuration retenue, intégrant notamment des lignes chauffées de grande longueur et des systèmes de dilution n’auraient pas permis une telle mesure. Conscient de l’importance de ce point, notamment au regard des normes applicables en terme de qualité de l’air ambiant pour l’exposition du public, le CERTAM a mis en œuvre une métrologie adaptée pour quantifier les émissions de particules totales (poussières) lors de la deuxième campagne.

Figure 35 : Installation des baies d’acquisition dans le casing tribord

Figure 36 : Mesure de particules (masse et granulométrie)

Figure 37 : Mesure de particules (nombre) et mesure de gaz

Le déploiement de cette seconde campagne a nécessité de nombreux matériels complémentaires, notamment pour la maintenance et la vérification des systèmes de mesure (diagnostique électrique, nettoyeur ultrasons, outillage, mesure de pression et température…) ainsi que de nombreux consommables (tuyaux d’alimentation en air, raccords de plomberie, connecteurs électriques…).

2.7.3.

Principe de la mesure en temps réel

La mesure en temps réel permet de fournir des informations beaucoup plus riches que la mesure intégrée, plus répandue dans le cadre des approches purement normatives (mesures par accumulation sur filtres ou en sacs). Cette façon de procéder permet également d’apprécier la stabilité des émissions et du fonctionnement des moteurs. Il devient ainsi possible d’isoler les différentes phases (niveaux de

charge, combustible utilisé, mesure amont ou aval…). En revanche, ce type de mesure requiert bien plus de matériel, une installation plus longue et un dépouillement des données beaucoup plus soutenu.

Chaque analyseur produit un chronogramme qui constitue la représentation directe du polluant ou de la substance recherchée. La figure 38 ci-dessous donne un exemple de la mesure des particules en nombre.

Figure 38 : Exemple de chronogramme

Sur chaque chronogramme, les phases d’intérêt doivent être isolées en évitant les transitoires qui correspondent à des régimes non établis. Sur l’exemple de la figure 38, les plateaux associés aux mesures réalisées amont (~10⁷/10⁸) ainsi qu’en aval (~10³/10⁴) du système de dépollution sont particulièrement distincts. Ils donnent un aperçu très « visuel » de l’efficacité du système de filtration dans les conditions du test. Toutefois, le recours fréquent aux échelles logarithmiques ainsi la présence d’éventuels pics dus à des instabilités ne favorisent pas la lecture quantitative directe.

2.8. Planning du projet

Le retard pris lors de la période de prise en main par le bord, et la disponibilité des équipes CERTAM ont fait dériver le planning, et les mesures d’émissions finales ont été réalisées du 8 au 13 octobre 2019.

Le rapport de CERTAM a été remis le 30 octobre, soit un retard total du projet par rapport au planning initial de 1 mois.

temps (hh:mm)

23:00 00:00 01:00 02:00

concentration particulaire PPS (part./cm3) 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

Figure 39 : Planning du projet

3. Bilan / Principaux résultats obtenus

Dans le contexte de recherche de solutions technologiques visant à réduire les émissions des navires de fortes puissances, en particulier les particules fines, décrit dans le chapitre 1, ce projet visait à démontrer la faisabilité, d’une part, de l’intégration d’un système de traitement à sec des gaz d’échappement sur un navire en tant qu’alternative au système de traitement par voie humide

Dans le contexte de recherche de solutions technologiques visant à réduire les émissions des navires de fortes puissances, en particulier les particules fines, décrit dans le chapitre 1, ce projet visait à démontrer la faisabilité, d’une part, de l’intégration d’un système de traitement à sec des gaz d’échappement sur un navire en tant qu’alternative au système de traitement par voie humide

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