Le système de traitement des polluants de l`air dans une automobile

Protection de l’environnement
Pollution de l’air
147-625-FE
Quand l’auto tue autrement
Les émissions des automobiles et leurs systèmes de traitement
Présenté à Marc-André Bureau, professeur
Par Vincent Deshayes
Cégep de Saint-Félicien, hiver 2011
Table des matières
Introduction ..................................................................................................................................... 3
Identification des contaminants en cause....................................................................................... 3
Identification de la source de contamination ................................................................................. 5
Les systèmes de traitement ............................................................................................................ 5
Les enjeux environnementaux ........................................................................................................ 7
Piste de solution : Les voitures hybrides ......................................................................................... 8
Conclusion ....................................................................................................................................... 8
Médiagraphie .................................................................................................................................. 9
Introduction
Depuis son invention, le nombre d’automobiles n’a cessé de croître et son usage
s’est progressivement répandu dans le monde. Du même fait, on a assisté à
l’apparition de phénomènes de smog dans de nombreuses villes. Aujourd’hui, les
effets néfastes pour la santé du smog sont de plus en plus étudiés. Nous savons
qu’ils entraînent des troubles pulmonaires tels que l’asthme et les bronchites, voire
même le cancer du poumon. En plus de dégrader la santé, les polluants
atmosphériques dégradent aussi l’environnement en affectant la qualité de l’air, de
l’eau et du sol. Compte tenu de ces désavantages, des modifications ont été
apportées aux véhicules possédant un moteur à combustion interne telles que
l’apparition du catalyseur ou de la voiture hybride.
Sachant que la pollution des automobiles tue des milliers personnes par année aux
États-Unis, qu’une Honda Civic1 produit généralement moins de 150g/km de CO2
alors qu’un Hummer H2 rejette 468 g/km 2, nous devons nous poser la question si le
libéralisme de nos sociétés n’est pas en train de dégrader un bien commun d’une
valeur incomparable. De nos jours, c’est un peu plus d’un milliard3 de véhicules qui
sont en utilisation dans le monde. De ce fait, il est impératif de gérer cette source de
pollution afin de minimiser ses impacts sur notre environnement et, par le fait
même, sur notre qualité de vie.
Identification des contaminants en cause
Lors de la combustion du carburant des voitures, plusieurs composés nocifs sont
produits puis relâchés dans l’atmosphère. Parmi ces contaminants on retrouve
principalement du monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote(NOx), les
composés organiques volatiles (COV), ainsi que des fines particules (PM 2,5 et
moins). Bien entendu les émissions automobiles génèrent en grande partie du
1
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Honda civic / Émissions CO2/ http://www.neowebcar.com/co2/honda/civic_136/
Sénat de la France / Pollution des voitures / http://www.senat.fr/rap/r01-113/r01-1131.html
http://www.notre-planete.info/actualites/actu_2366_un_milliard_voitures_monde.php
dioxyde de carbone. Cependant, selon INRP (Inventaire national des rejets de
polluants), le CO2 n’est pas considéré comme un contaminant atmosphérique.
Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz qui est produit par une combustion
incomplète. Ce gaz est produit lorsque le feu n’a pas assez d’oxygène { sa
disposition. Si le taux d’oxygène est suffisant, on obtient alors du dioxyde de
carbone(C02). Même si le dioxyde de carbone est un acteur majeur dans les
changements climatiques, ce gaz demeure essentiel à la vie sur terre contrairement
au monoxyde de carbone qui est nocif pour celle-ci.
Les oxydes d’azote sont un autre de ces contaminants atmosphériques produits par
les voitures. Sachant que l’atmosphère terrestre est composée à 78,08% d’azote, on
peut comprendre que l’azote est généralement impliqué lors d’une combustion à
l’air libre. 4
Les composés organiques volatiles (COV) rejetés par les voitures sont généralement
des hydrocarbures imbrûlés ou HC. Ce sont donc des substances qui se sont
retrouvés volatilisés soit en raison de leurs propriétés ou du procédé qu’on leur a
fait subir. Les substances plus volatiles, possédant donc de courte chaîne de
carbone, s’oxyderont facilement en CO2 lors de la combustion. Mais les
hydrocarbures à plus longue chaîne de carbone, n’ayant pas un temps de résidence
suffisant dans le cylindre, s’oxyderont partiellement et libéreront ainsi des COV.
Les particules fines sont des particules qui se retrouvent en suspension dans
l’atmosphère. Elles peuvent être d’origine naturelle, comme dans le cas de la
poussière soulevée par le vent ou le pollen des végétaux. Mais ils peuvent aussi êtres
produits par des sources artificielles comme les moteurs des voitures ou les
industries. Ces particules d’un diamètre inférieur { 2,5 microns (2,5 μm = 0,0025
mm) se retrouvent alors dans l’air ambiant et elles peuvent pénétrer profondément
dans les poumons. 5 et 6
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5
Exposé sur les PCA/ Les oxydes d’azotes/ Par Bruno Roberge
Notes de cours/ Pollution de l’air/ Par Pierre Castonguay
Identification de la source de contamination
Tous ces contaminants atmosphériques sont produits lors de la combustion des
hydrocarbures dans les moteurs. La majorité du travail à faire pour réduire ces
émissions se trouve donc au niveau de la conception des voitures. Effectivement, il y
a un important écart entre les normes d’émissions des véhicules asiatiques,
européens et américains. 7 C’est donc dire que l’effort n’est pas le même d’un pays à
l’autre car certains optent pour des normes moins sévères.
La combustion est un paramètre qu’il est très important de contrôler car d’une
mauvaise combustion résultent plusieurs problèmes. Il est donc important de
s’assurer que la combustion soit complète.
Il faut tenir compte qu’il existe 2 principaux types de carburants, soit l’essence et le
diesel. Et également deux types de moteur, soit le moteur à deux temps et le moteur
à quatre temps.
De plus la présence et la qualité du pot catalytique joue un rôle majeur quant à la
nature des gaz d’échappement.
Les systèmes de traitement
Le pot catalytique est une amélioration récemment développée du pot
d'échappement des véhicules possédant un moteur à combustion interne. Le pot
catalytique est un des principaux systèmes mis en place dans le but de limiter la
nocivité des gaz rejetés par les véhicules motorisés.
Il est constitué d'une chambre en acier inoxydable dans laquelle les gaz sont
acheminés en traversant des conduites en forme de nid d'abeille. Ces conduites dans
lesquelles les gaz passent, sont le plus souvent composées de céramique. Ensuite,
l’intérieur de ces conduites est recouvert d’une mince couche de trois types de
métaux rares. Ces métaux précieux se nomment les platinoïdes et on retrouve au
moins trois d’entre eux dans les pots catalytiques, soit du platine (Pt), du palladium
6
7
Exposé sur les PCA/ Les TPM/ Par Vincent Deshaye
Film de Al Goore / Une vérité qui dérange
(Pd), et du rhodium (Rh). Le pot catalytique est constitué de façon à maximiser la
surface de contact entre les platinoïdes et les gaz d’échappement des véhicules (d’où
la formes en nid d’abeille).
Les composants des catalyseurs ont pour but de déclencher ou d’accentuer les
réactions chimiques qui favorisent une transformation des constituants les plus
toxiques des gaz d'échappement tels que les oxydes d'azote, le monoxyde de
carbone ou les hydrocarbures imbrûlés, en éléments moins dangereux comme l’eau ,
l’azote (N2)et le CO2.
Il existe deux types de pots catalytiques. Le catalyseur à deux voies est destiné aux
moteurs diesels tandis que le catalyseur à trois voies est associé aux moteurs à
essence.
Le catalyseur à trois voies est conçu de façon à provoquer trois réactions physicochimiques simultanément. Par une réaction d’oxydo-réduction, il provoque, dans un
premier temps, la réduction des oxydes d’azote en azote. Deuxièmement, au cours
de cette même réaction, il entraîne l’oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde
de carbone. Et troisièmement, il favorise également une oxydation des
hydrocarbures imbrûlés, les transformant ainsi en dioxyde de carbone et en eau.
Voici les réactions chimiques impliquées dans ce processus.
1-Réduction des oxydes d'azote en azote et oxydation du monoxyde en dioxyde
de carbone :
2NO + 2CO
N2 + 2CO2
2--Oxydation des hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau :
4CxHy + (4x+y)O2
4xCO2 + 2yH2O
Malgré tous ses avantages, le pot catalytique n'est efficace qu'à partir de 400 oC
environ. Ce qui explique que ces dispositifs sont relativement inefficaces pour les
courts trajets, car ceux-ci ne laissent pas le temps, au pot catalytique, d’atteindre sa
température optimale de fonctionnement.8 De plus, lors de sa vie utile, une partie
des métaux précieux qui composent le catalyseur sera libérée. Selon des études
citées par la revue scientifique Environmental Science and Technology, les métaux
lourds des pots catalytiques pollueraient déjà l'environnement, localement et jusque
dans les neiges et les glaces polaires où les retombées seraient 100 fois plus
importantes. C’est donc dire que de cette solution, pour diminuer la pollution
atmosphérique, génère à son tour une autre problématique environnementale.9
Les enjeux environnementaux
Ces contaminants atmosphériques produits par les voitures peuvent avoir plusieurs
impacts sur la qualité de l’environnement et la santé. Dans les cas du dioxyde de
carbone, son taux est constamment en hausse. En plus de favoriser les changements
climatiques, cette augmentation engendre des pluies acides lorsque ce gaz entre en
contact avec de l’eau, produisant ainsi de l’acide carbonique. Ces pluies iront ensuite
acidifier les cours d’eau.
Quant aux oxydes d’azotes, ils causent l’irritation des muqueuses (tissus sensibles
dans les narines ou les oreilles). Ils contribuent également aux pluies acides. En plus
de cela, les oxydes d’azotes interviennent dans le processus de formation de l’ozone
(O3). Il faut comprendre que l’ozone est utile et profitable seulement lorsqu’elle se
trouve à des altitudes élevées. Dans le cas des voitures et des industries, ce
contaminant est produit à de faibles altitudes les plus souvent dans les villes.
L’ozone étant un oxydant puissant, il aura donc tendance { s’attaquer (oxyder) à
tous matériaux organiques ou inorganiques avec lesquels il entrera en contact. Par
exemple, l’ozone accélèrera le vieillissement de certains matériaux de construction
mais aussi celui des cellules des organismes en les oxydant. De plus, ce contaminant
atmosphérique favorise l’effet de serre dans les villes.
8
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Pot catalytique/ Wikipedia, http://fr.wikipedia.org/wiki/Pot_catalytique
Pot catalytique impacts positifs et négatifs :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Pot_catalytique#Impacts_environnementaux.2C_positifs_et_n.C3.A9gatifs
Les COV participent également au processus de formation de l’ozone. Sans compter
que plusieurs composés organiques volatiles ont des effets mutagènes ou
cancérigènes. En plus de cela, ces composés volatiles peuvent se fixer { d’autres
contaminants comme les matières particulaires.
Les particules ont aussi des effets nocifs car celles d’un diamètre de 2,5 μm et moins
peuvent pénétrer profondément dans les poumons. Dans ce cas, les systèmes
d’évacuation naturelle de notre corps ne suffisent plus, donc il y a accumulation du
contaminant dans l’organisme.
Piste de solution : Les voitures hybrides
Une voiture classique, qu'elle roule au diesel ou à l'essence, fonctionne avec un
moteur thermique. Une voiture hybride est, elle aussi, équipée d’un moteur
thermique; mais elle est également munie d'un moteur électrique et de batteries. Ce
moteur électrique est destiné à agir dans deux situations : soit pour aider le moteur
thermique afin de fournir plus de puissance à la voiture, ou encore il fonctionne seul
permettant au moteur thermique de rester éteint.10
Conclusion
Pour conclure, l’industrie de l’automobile entraîne la production de nombreux
contaminants atmosphériques. Ces contaminants entraînent des impacts sur la
santé et l’environnement; c’est pourquoi des systèmes ont dû être pensés afin de
réduire les impacts de ces véhicules qui nous facilitent tant la vie. Cependant, un
grand travail de sensibilisation et de conscientisation reste à faire car les normes
d’émissions des véhicules demeurent très différentes entre les pays producteurs. De
plus, il serait temps de valoriser d’autres modes de transports tel que le train {
grande vitesse, la bicyclette ou le tramway car ceux-ci sont relativement peu utilisés
en Amérique du Nord. Effectivement, en faisant des efforts pour faire du sport ou
10
Voiture hybride/ http://www.lavoiturehybride.com/
prendre les transports en commun, une bonne partie de la pollution émise pourrait être
évitée.
Médiagraphie
-Pot catalytique/ Wikipedia/ http://fr.wikipedia.org/wiki/Pot_catalytique (page consulté
le DATE)
-Notes de cours/ Pollution de l’air/ Par Pierre Castonguay
-Exposé sur les PCA/ Les COV/ Par Sarah Harvey
-Exposé sur les PCA/ Les oxydes d’azotes/ Par Bruno Roberge
-Exposé sur les PCA/ Les TPM/ Par Vincent Deshaye
-Sénat de la France/ Pollution des voitures/ http://www.senat.fr/rap/r01-113/r011131.html
-Voiture hybride/ http://www.lavoiturehybride.com/
-http://www.notre-planete.info/actualites/actu_2366_un_milliard_voitures_monde.php