Premiers résultats de système DeNO x SCR par injection d'urée sur BUS Euro 5 Gabriel PLASSAT DONNEES ET REFERENCES Juillet 2005 Le fonctionnement du moteur Diesel se caractérise par une combustion hétérogène en mélange pauvre, conduisant à des émissions de polluants, principalement des oxydes d'azote (NO x ), des particules et, dans une moindre mesure, du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (HC). Pour réduire ces polluants, plusieurs solutions sont utilisées 1 : Le filtre à particules (FAP) garantit une élimination des suies à plus de 90 %. Il existe des FAP à utiliser en retrofit 2 ou disponibles en 1 ère monte. Le catalyseur d'oxydation permet de réduire les émissions de polluants CO et HC. A la différence d'un catalyseur d'oxydo-réduction, dit à trois voies, utilisé sur un moteur à allumage commandé fonctionnant à richesse 1, les NO x ne peuvent pas être traitées. Plusieurs voies sont envisagées pour réduire les NO x utilisant des réducteurs (urée, hydrocarbures) ou une recirculation des gaz d'échappement. En parallèle, des progrès continus sont réalisés par les constructeurs pour les réduire et suivre les normes d'émissions : o Système d'injection haute pression et pilotage précis de(s) injection(s), o Augmentation de la pression de suralimentation, o Maîtrise de la température de combustion. Les normes Euro4 et les futures normes Euro5 et 6, nécessitent l'introduction de nouvelles technologies. Il faut également noter que les normes américaines US 2007 et 2010, et japonaises 2003 et 2005, pilotent de façon similaire les émissions de polluants, tout en maintenant certaines différences, notamment au niveau des températures d'échappement, lors des cycles d'homologation 3. Compte tenu de la mondialisation des marchés et des offres industrielles, une analyse internationale des normes et des technologies est nécessaire pour appréhender les différentes voies possibles. La plupart des voies technologiques envisagées nécessitent une réduction de la teneur en soufre des gazoles, et ceci sur tous les marchés, pour qu'une solution se généralise. Dans le cadre du programme national "Bus Propres", nous présentons les résultats obtenus sur un autobus IRISBUS Diesel Euro5, disposant d'un système DeNO x par SCR (Selective Catalytic Reduction). La méthodologie développée par l'ademe 1 est utilisée pour quantifier les performances de cette technologie et sa fiabilité. DEPARTEMENT TECHNOLOGIES DES TRANSPORTS 1 Voir "Les technologies des moteurs de véhicules lourds et leurs carburants, réf 5218", www.ademe.fr. 2 Voir "Les particules de combustion automobile et leurs dispositifs d'élimination, réf 4783", www.ademe.fr. 3 La température d'échappement conditionne fortement l'efficacité des catalyseurs, donc les émissions de polluants.
Introduction A court terme, deux voies majeures se dessinent pour réduire les NO x, sachant que les particules sont réduites en optimisant la combustion et les catalyseurs, et si besoin, par un filtre à particules. Le graphique ci-dessous présente les normes européennes, américaines et japonaises et les voies technologiques pour les atteindre: Particules en g/kwh 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 US 02 US 07/10 Jap 03 Jap 05 Normes & Voies Technologiques DIESEL EGR + FAP EGR + FAP EGR Sans EGR Optimisation consommation 0.04 Combustion standard 0.02 SCR (+FAP) SCR / NOx ads. + FAP SCR 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ou Combustion homogène NOx en g/kwh Source Renault Trucks / ADEME La voie SCR 4, privilégiée en Europe, permet de découpler optimisation de la combustion et réduction des NO x. En effet, une combustion optimisée (haut rendement et faible consommation) crée des NO x par des températures de combustion élevées. Mais ces polluants peuvent être traités de façon efficace par l'urée 5, qui se transforme à l'échappement en ammoniaque, réducteur de NO x. Cette voie permet donc de réduire fortement la consommation, mais nécessite un réseau de distribution d'urée en Europe et des stratégies de contrôle et de répression pour s'assurer d'une utilisation systématique d'urée. Par ailleurs, cette solution permet de positionner le compromis NO x /particules 6 vers de faibles émissions de particules, les émissions de NO x étant traitées par l'urée. La voie EGR 7, prévue en Amérique du Nord utilise une recirculation de plus en plus importante de gaz d'échappement pour réduire les émissions de NO x. Cette solution présente l'avantage de ne pas nécessiter de fluide supplémentaire et de réseau de distribution associé, mais comporte des inconvénients en termes de surconsommation de carburant, de maintenance accrue des moteurs. Il faut noter cependant que certains constructeurs européens, MAN notamment, affichent une stratégie EGR pour Euro4. En complément, la solution de piège à NO x (NO x adsorber) est étudiée, essentiellement aux USA. Elle nécessite également la gestion des SO x qui empoisonnent le catalyseur. 4 SCR : Réduction Catalytique Sélective des oxydes d azote. Assure aussi l oxydation des hydrocarbures imbrûlés et de 30 % environ des particules. 5 L'urée (NH 2 -CO-NH 2 ), obtenue à partir d'ammoniaque (NH 3 ), va se décomposer à l'échappement en NH 3 pour réduire les NO x 6 Il existe un lien entre émissions de NO x et de particules, toutes choses égales par ailleurs. Si on procède à une réduction des émissions de particules en modifiant l'avance à l'injection, les émissions de NO x augmentent et inversement. 7 EGR : Exhaust gas recirculation ou recirculation des gaz d'échappement.
A plus long terme, les deux voies vont sans doute se rejoindre, pour plusieurs raisons : Le développement et l'utilisation d'un cycle mondial d'homologation des moteurs, Des constructeurs de moteurs et véhicules qui souhaitent réduire les variantes de leur produit sur le plan international, Des travaux internationaux sur une mode de combustion dit 'homogène' qui permettront, si il est appliqué sur tous les points des cycles d'homologation, de réduire fortement les technologies de post-traitement, puisque le moteur, à la source, n'émettra quasiment plus de polluants. Des normes d'émissions extrêmement faibles, qui contraindront les constructeurs à ne développer qu'une seule technologie de post-traitement, tenant compte des objectifs d'émissions. Compte tenu des normes US 2007/2010, plus sévères que les normes Euro5, le pari des USA est donc de miser sur la disponibilité, pour des applications en 2010, d'un mode de combustion homogène sur toute la plage de fonctionnement du moteur, ce qui permettra d'éviter d'investir dans un réseau de distribution d'urée en utilisant les solutions transitoires d'egr et/ou piège à NO x. L'évaluation du système de DeNOx SCR La méthodologie utilisée : La méthodologie développée par l'ademe permet, sur une année, de quantifier les performances d'une technologie et de vérifier sa fiabilité en usage réel. Ce véhicule a été utilisé en usage quasi-réel par IRISBUS : exploitation du véhicule sur des lignes lyonnaises, mais sans voyageur. Ceci permet de quantifier précisément les consommations de carburants et d'urée, les incidents et donc les coûts d'exploitation et de maintenance. T Suivi sur 1 an : consommation moyenne, relevé des incidents T+12 mois Mesures sur cycle polluants consommation phase 1 Mesures sur cycle polluants consommation phase 2 Suivi de l évolution des performances La définition technique du véhicule est la suivante : moteur Diesel : IVECO CURSOR 8 HORIZONTAL Dataset Euro5 échappement : catalyseur SCR avec injection d'urée. La solution IVECO, basée sur une combustion optimisée et un système SCR performant, permet de s affranchir du filtre à particules, tout en respectant des normes Euro 4 et Euro5. Le catalyseur SCR seul étant capable de réduire les émissions de particules d environ 30 %. Si besoin, un FAP peut également être ajouté et réduire les émissions de 90 % pour atteindre la norme EEV.
Résultats obtenus Les polluants réglementés et les émissions de gaz à effet de serre : Les essais, réalisés sur le banc à rouleaux de l'utac sur le cycle ADEME/RATP, montrent les résultats suivants sur les émissions : g/km Phase NO x CO HC Particules CO 2 éq 8 CO Conso 2 (l/100km) Agora Line Gazole 50ppm 1 8,07 2,53 0,03 0,062 1336 1338 50,7 Euro 5 Diester 1 9,9 1,93 0,06 0,044 1317 924 49,7 SCR Gazole 50ppm 2 (+ 7 mois) 8,35 2,18 0,06 0,065 1278 1285 49,4 Ces résultats, obtenus sur un véhicule au début, puis après 7 mois de roulage, permettent de valider les performances de cette filière 9. Ils peuvent également être comparés aux autres mesures issues de la base de données ADEME. Chaque filière (couple moteur/carburant) est caractérisée par ces émissions de NO x et de particules en g/km sur le cycle ADEME/RATP, et par ses émissions de gaz à effet de serre (GES) du puits à la roue (diamètre du cercle complété par la valeur en gramme équivalent CO 2 /km). La production d'ammoniaque, produit de base de l'urée, a été intégrée au niveau des émissions de GES du puits au réservoir avec 630 gges/litre d'urée. Il faut noter que les émissions de GES de la filière ammoniaque sont très variables selon le procédé de fabrication d'hydrogène utilisé (Reformage du gaz naturel : 1,15 à 1,3 kg GES/kg de NH 3, Oxydation partielle : 2 à 2,6 kg GES/kg de NH 3 ). Ce véhicule Euro5 présente une réduction de consommation de 6 l/100 km, soit 10,5 % par rapport aux premiers bus Euro3 IRISBUS. Cette baisse de la consommation est due aux améliorations suivantes : Moteur et technologie SCR (combustion, SCR et lubrifiant) : -3,5 %, soit 1,8 l/100 km Chaîne cinématique (boîte et pont) : -4 % Optimisation des auxiliaires : -3 % Particules 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 Hybride µ turbine GNV Estimation Biogaz NOx Particules et Gaz à effet de serre (GES) Filières BUS euro3 Standard SCR Euro5 Gazole 1520 Hybride Diesel SCR SCR Euro5 Diester 1170 NOx 2180 Emulsions 1715 Emulsions Standard 1695 1750 Diester 1450 Diester 1440 DIESEL DIESEL et FAP moteur 1780 IVECO 2100 Standard 0.02 GPL moteur 1750 2000 GNV RVI (euro 2) 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 1770 estimation Vmoy + 5 km/h couloir, Feu prioritaire source ADEME Ce graphique permet de visualiser clairement la filière Diesel Euro3 "standard" en haut à droite, puis les évolutions apportées par une émulsion, le Diester, le filtre à particules (FAP) ou l'augmentation de la vitesse moyenne de 5 km/h. 1575-10% 8 Cette valeur d'émissions "équivalente" de CO 2 comprend les émissions de gaz à effet de serre du véhicule en tenant compte de la part de carburant renouvelable, 30 % dans le cas du Diester. 9 Pour la filière SCR, la mesure du N 2 O, puissant gaz à effet de serre (GWP de 310), a été réalisée à la 2 ème campagne, car l'urée peut produire dans certaines conditions cette espèce. La valeur mesurée est de 16,6 mg/km.
Le véhicule Euro5 SCR, gazole ou Diester, permet une réduction des émissions de NO x de plus de 50 % par rapport à Euro 3, en utilisation réelle. Les filières gazeuses, GNV ou GPL, affichent des émissions proches en termes de NO x et de particules, avec toutefois des valeurs remarquables pour le moteur GNV Iveco, deux fois plus faibles. Ce véhicule Diesel Euro5 se distingue par ses faibles émissions de GES du puits à la roue, 13 % plus faibles que le meilleur bus GNV (4 % étant apportés par le moteur, le reste par le véhicule et la chaîne de transmission 10 ). L'utilisation de Diester accentue cet écart à 33 %, que seul le biogaz ou l'hythane 11 permettront de concurrencer. Les polluants non réglementés (PNR) : Les polluants non réglementés mesurés sont les hydrocarbures de 1 à 12 molécules de carbone, dont le benzène, le toluène, le 1,3-butadiène, les xylènes, complétés par les aldéhydes et cétones dont le formaldéhyde et l'acétaldéhyde. Ces produits sont cancérigènes prouvés ou suspectés 12. Les mesures sont comparées à un moteur Euro3 sans et avec deux FAP. Il apparaît que le moteur Euro5 avec système DeNO x réduit les émissions de PNR, sans toutefois atteindre les résultats des FAP présentés. En effet, le véhicule Euro5 testé n'utilise pas de FAP. 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 standard Euro3 FAP N 1 Euro3 FAP N 2 Euro3 DeNOx Euro5 10.00 0.00 Benzene Toluene 1,3-Butadiene m-xylene p-xylene o-xylene TOTAL HC C1 à C12 mg/km Formaldéhyde Acétaldéhyde TOTAL aldéhydes Cétones mg/km source ADEME La consommation d'urée et les émissions de NH 3 : La consommation d'urée relevée sur les deux essais est de l'ordre de 4% de la consommation de gazole : Litre / 100 km Consommation d'urée Consommation de gazole Gazole Agora Line Euro5 SCR 2,02 50,7 50 ppm Diester 2,8 49,7 La dispersion des consommations d'urée s'explique par des variations de température d'échappement entre les différents cycles réalisés à l'utac. Les émissions d'ammoniaque NH 3 ont été mesurées au banc moteur, lors d'un cycle transitoire ETC 13 et, sur un cycle UTAC, dans la configuration Diester. Lors du cycle transitoire, les émissions de NH 3 mesurées à l'échappement sont toujours inférieures à 6 ppm et la masse totale sur 30 minutes est de 0,19 g, soit 0,38 g/h. La distance équivalente parcourue sur ce cycle ETC pourrait être d'environ 15 km (1800 secondes à 30 km/h de vitesse moyenne), soit 10 Le gain obtenu sur le véhicule pourra également s'appliquer pour un bus GNV. 11 L'hythane est un mélange d'hydrogène (20 %) et de gaz naturel (80 %). Une production d'hydrogène renouvelable permettra de baisser les émissions de GES de cette filière, du puits à la roue. 12 Le benzène est un cancérigène classe 1 (cancérigène prouvé sur l'homme), et le formaldéhyde vient de passer classe 1 (juin 2004). L'acétaldéhyde est classé 2B (cancérigène possible), le toluène et xylènes sont classés 3. voir www.iarc.fr. 13 European Transient Cycle
12 mg/km. Sur le cycle UTAC, la mesure est de 11,5 mg/km pour la phase 1 et 2,4 mg/km pour la phase 2. Pour comparaison, les émissions de NH 3 d'un véhicule léger Euro3 mesurées sur un cycle réel Arthémis 14 sont de : VL Diesel VL Essence VL GPL 0,15 à 0,3 mg/km 10 à 49 mg/km 17 à 96 mg/km Les émissions de NH 3 obtenues sur autobus sont donc du même ordre de grandeur qu'un véhicule léger essence. Mesures instantanées d'ammoniaque à l'échappement et de consommation d'urée sur cycle ETC Les résultats en exploitation quasi-réelle : Un roulage en continu a été réalisé du 31/01/05 au 31/06/05 sur un Agora line. Le véhicule lesté d un équivalent de 38 personnes (2500 kg) effectuait un circuit sur différentes lignes variées du réseau de Lyon. Les conducteurs respectaient tous les arrêts des lignes empruntées. Le véhicule a parcouru 33 798 Km en 83 jours de roulage effectif, soit une moyenne kilométrique d environ 19 Km/h. La consommation moyenne de gazole s est élevée à 37,7 l/100 km, celle d urée à 1,4 l/100 km soit 3,8% de la consommation de gazole et celle de lubrifiant à 0.15 l/1000km. Les écarts par rapport au cycle ADEME sont liés à la vitesse moyenne du véhicule inférieure sur le cycle (12 km/h) conduisant à des consommations supérieures. Les principaux incidents rencontrés sont listés ci dessous : Dysfonctionnement du système d injection d urée pendant les premières semaines de roulage. Ce problème provenant d une fuite sur le circuit d urée a été traité par le personnel IVECO. Casse de l unité de dosage de l urée suite au percement du tube d air. Cette casse a entraînée le colmatage de l injecteur d urée. 14 Voir les résultats complets sur www.ademe.fr/auto-diag/transports/rubrique/publications/document/rapportademegpleuro3_vf.pdf (programme européen).
Bilan et Perspectives Les premiers résultats d'émissions polluantes, de consommations de gazole et d'urée, sont encourageants. D'un point de vue économique, la consommation d'urée de 2,02 l/100 km, avec un prix de l'urée d'environ 0,35 /litre pour les réseaux, engendre un surcoût de 0,7 /100 km. Ce surcoût est compensé par la baisse de consommation de gazole apportée par la technologie SCR de 1,8 l/100 km, soit un gain sur le poste gazole de 1,8 /100 km et un gain global de 1,1 /100 km. Le premier bilan en utilisation quasi-réelle est positif. Ces essais sont à poursuivre sur une année complète. En parallèle, une évaluation est également en cours sur des systèmes DeNO x en retrofit, sur des bus existants Euro2 et Euro3. Agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Énergie Département Technologies des Transports 500, route des Lucioles 06560 Valbonne