Fiche technique Les normes antipollution dans l'agriculture

I ) Contexte

Le moteur thermique, et ses applications, a révolutionné le métier d'agriculteur. Toutefois, comme dans toutes ses utilisations, le moteur à explosion est source de pollution. Dans le cas du moteur diesel, la combustion ne rejette pas seulement du CO₂ ou de la vapeur d'eau, mais aussi des NO_x (les oxydes d'azote) et des particules plus ou moins fines. Les NO_x sont, comme le CO_2, des gaz à effet de serre. Les particules quant à elles sont directement nocives pour l'être humain, car cancérigènes.

La prise de conscience de cette pollution n'est pas récente : les législations pour limiter l'impact des moteurs sur l'environnement non plus. En effet, les premières régulations datent du milieu des années 1990. Ces nouvelles normes antipollution ne sont pas appliquées mondialement. Plusieurs pays ou groupes de pays émettent leurs propres normes qui ne s'appliquent qu'à l’intérieur de leurs frontières.

Nous retiendrons ainsi deux systèmes de normes qui sont très proches sinon identiques : les "Tiers" et les "Stages", respectivement élaborés par l'Epa (Environmental Protection Agency) pour les Etats-Unis et l'Union européenne pour ses pays membres.

Ces normes existent pour tous les types de moteurs diesels, mais leurs modalités d'application, en particulier leur calendrier, sont propres à chaque utilisation. Dans le cas agricole, on parle d'une utilisation non-routière (Off-Road).

II ) Le calendrier d'application des normes antipollution

Le Stage I entre en vigueur en 1999, avec des seuils d'émissions similaires au Tier I appliqué en 1996. Le calendrier prévoit une transition en cinq étapes avec pour dernière échéance 2015. L'application du calendrier se fait selon la puissance des moteurs.

Remarques :

• Si au départ, la numérotation des Stages et des Tiers était identique (Stage I = Tier 1), il en va autrement avec l'apparition du  Stage IIIB qui correspond au Tier 4 intérim et au Stage IV qui correspond au Tier 4 final.
• Avec un calendrier de mise en application et des seuils d'émissions identiques ou tout au moins très proches, les normes Stage et Tier sont tout à fait comparables et on utilisera indifféremment l'une ou l'autre.

III ) Les technologies

Diverses technologies sont mises en œuvre afin de réduire la pollution provenant des moteurs. On retrouve notamment les multisoupapes (4 au lieu de 2), qui permettent un meilleur remplissage en air des cylindres, les turbos avec échangeur (intercooler), ou encore l'injection sous haute pression avec rampe commune (common rail) et commandée électroniquement. Toutefois, ces technologies à elles seules ne permettent plus de répondre au Stage IIIB (Tier 4 intérim) désormais en vigeur.

Pour réduire toujours plus les NO_x et les particules, deux solutions à la philosophie différente sont aujourd'hui proposées : la technologie Egr et la technologie Scr. Elles vont toutes deux devoir faire face à un antagonisme majeur : les rejets de particules augmentent lorsque ceux des NOx diminuent et vice versa.

A ) La technologie EGR

La technologie Egr (Exhaust Gaz  Recycling) est déjà familière à de nombreux automobilistes. Son principe est de prélever une partie des gaz d'échappement et de les mélanger à l'air frais admis dans le cylindre.

Pourquoi ce "recyclage" ?

Comme il a déjà été dit, les moteurs diesels rejettent des NO_x. La formation de ceux-ci est le fruit d'une réaction à forte température (au-delà de 1.500°C) du N₂ et de l'O₂ tout deux contenus dans l'air. Cette réaction est d'autant plus importante lorsque la concentration en O₂ est élevée. Maintenir une température "basse" et réduire la concentration en O2 vont ainsi permettre une réduction des NOx émis.

Le maintien d'une basse température va alors être assuré par l'échangeur, et la recirculation des gaz d'échappement sera quant à elle contrôlée par une vanne appelée simplement vanne Egr.

Le mélange "air frais + gaz d'échappement" permet ainsi de réduire la teneur en O₂ de l'air présent dans le cylindre. De plus, cet air est maintenu à une température basse grâce aux deux échangeurs. Le rejet de NO_x est ainsi limité (2 g/kW-hr selon la norme Stage IIIb).

En revanche, ce système génère une combustion imparfaite de laquelle résultent des particules, qui sont elles aussi visées par les normes Stage. Pour éviter leur rejet dans l'atmosphère, la solution Egr est couplée avec un filtre à particules (Fap ou bien Dpf en anglais).

Le Fap, constitué de cloisons poreuses en céramique, va filtrer les gaz d'échappement et stocker les particules avant de les détruire lors d'une régénération.

Cette régénération se réalise "naturellement" lorsque le moteur fonctionne de manière ininterrompue pendant plusieurs heures. Si cette régénération naturelle ne peut se faire, elle est alors forcée ponctuellement par l'envoi d'un surplus de carburant au moteur, ou vers un injecteur dédié dans la ligne d'échappement. Une élévation de la température des gaz d'échappement est ainsi réalisée et elle va permettre de brûler les particules prisonnières du filtre.

B ) La technologie Scr

A l'inverse de l'Egr, la solution Scr (Selectiv Catalyst Reduction ou Réduction Catalytique Sélective) va optimiser la combustion et va ainsi réduire la formation des particules. Les NOx quant à eux vont être traités a posteriori par une succession de réactions chimiques dans un catalyseur.

Comment ça marche ?

A leur sortie du moteur, les gaz d'échappement vont passer dans une succession de catalyseurs qui vont modifier la nature des molécules qu’ils contiennent. Pour fonctionner, cette réaction va nécessiter l'ajout d'urée dans les gaz d'échappement. Cette urée, à laquelle de l'eau est additionnée, est commercialisée sous le nom d'AdBlue. Sur le tracteur, un réservoir spécifique lui est dédié.

Le tableau suivant résume les différentes étapes du traitement des molécules des gaz d'échappement. 

Les molécules en rouge sont nocives et directement issues du fonctionnement du moteur. On y retrouve les NO_x, mais aussi le monoxyde de carbone CO et des hydrocarbures HC. Ce sont ces molécules que va devoir traiter la technologie Scr.

Les molécules en vert sont issues de différentes réactions, non nocives. Elles peuvent donc être rejetées dans l'atmosphère.

En bleu, on retrouve la molécule provenant de l'AdBlue et nécessaire au fonctionnement du catalyseur Scr.

Ainsi, à l'issue de leur traitement par la technologie Scr, les gaz d'échappement ne rejettent que du dioxyde de carbone CO₂, de l'eau et du diazote N₂. Déjà présent à près de 80 % dans l'air, ce dernier gaz est totalement inoffensif.

Alors, Egr ou Scr ?

Le choix de l'une ou de l'autre de ces technologies n’est pas fondé sur leur efficacité environnementale. Si à l'heure actuelle, les discours peuvent paraître assez divergents, il est probable qu'à l'avenir, et pour répondre aux futures normes, ces deux technologies soient associées pour encore plus d'efficacité.

Pour aller plus loin et découvrir les dernières innovations des tractoristes à ce sujet, cliquez sur : Normes antipollution.