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Mar 07, 2023

L'air que nous respirons

Sponsorisé par Les gaz d'échappement des moteurs sont un contributeur majeur à la pollution dans les villes. Mais

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L'échappement des moteurs est un contributeur majeur à la pollution dans les villes. Mais l'ingénierie innovante et la chimie catalytique intelligente de BASF contribuent à produire un air plus pur

16 août 2017

Avec leurs courbes sportives et leurs garnitures chromées, peu de gens contesteraient que les voitures classiques des années 1960 ont l'avantage esthétique sur les voitures modernes. Mais sous la carrosserie élégante se cache un secret coupable. Les émissions toxiques d'une voiture des années 1960 sont à peu près égales à celles de 100 voitures modernes.

C'est en grande partie grâce à l'invention du convertisseur catalytique. Au cours des quatre dernières décennies, ces dispositifs ont empêché le rejet de plus d'un milliard de tonnes de polluants.

Mais les consommateurs, les politiciens et les militants en veulent plus. Les convertisseurs catalytiques modernes peuvent réduire de plus de 90 % les substances nocives contenues dans les gaz d'échappement. Aujourd'hui, les scientifiques et les ingénieurs du géant de la chimie BASF s'efforcent d'augmenter encore ce chiffre pour aider les constructeurs automobiles à respecter les lois de plus en plus exigeantes sur la qualité de l'air.

Au cœur de cet effort se trouve le convertisseur catalytique, développé pour la première fois pour les voitures en 1973 par des chercheurs de la société américaine de raffinage de minéraux, Engelhard Corporation. Les travaux ont été déclenchés par la loi américaine sur la qualité de l'air de 1970, qui obligeait les constructeurs automobiles à réduire considérablement les émissions nocives.

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Les convertisseurs catalytiques sont des corps en céramique alvéolés avec une grande surface interne. Cette surface est recouverte d'une formulation contenant des métaux, tels que le platine, le palladium et le rhodium, qui catalysent diverses réactions. Les premiers convertisseurs oxydaient le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés en dioxyde de carbone et en eau. Les modèles ultérieurs, appelés convertisseurs "à trois voies", divisent également les NOx nocifs (oxydes d'azote) en azote et en oxygène.

Comment fonctionne la conversion catalytique à quatre voies

Une réglementation accrue de la qualité de l'air a poussé cette technologie vers l'avant. Entre 1992 et 2014, une série de réglementations européennes a réduit de deux tiers les émissions de monoxyde de carbone des voitures neuves à essence et les émissions d'hydrocarbures et de NOx de près d'un ordre de grandeur.

BASF a joué un rôle important dans ces réductions. En 2006, elle a racheté Engelhard et est aujourd'hui l'un des principaux fournisseurs mondiaux de convertisseurs catalytiques pour l'industrie automobile, employant des scientifiques de la catalyse dans le monde entier.

Ces experts travaillent à réduire encore plus les émissions. Une innovation récente de BASF est un catalyseur synthétique appelé chabazite de cuivre qui aide à éliminer 95 % des NOx des gaz d'échappement diesel. Cela fonctionne en conjonction avec l'urée introduite dans le flux d'échappement, qui se décompose en ammoniac.

La chabazite de cuivre contient des pores régulièrement espacés où les molécules d'ammoniac et d'oxyde d'azote réagissent pour former de l'azote et de l'eau.

"La chabazite de cuivre fournit à la fois l'excellente activité catalytique requise pour la conversion des NOx et la stabilité structurelle nécessaire à la durabilité à long terme", explique Ahmad Moini, membre de l'équipe qui a breveté cette technologie en 2009.

La façon dont les convertisseurs catalytiques sont fabriqués est également importante. Dans l'usine de catalyseurs d'émissions de BASF à Nienburg en Allemagne, des bras robotiques orange orchestrent le revêtement de corps en céramique dans une suspension crémeuse contenant de la chabazite. Le revêtement a lieu de manière précise pour garantir que les pores du matériau sont complètement et rapidement recouverts.

C'est ici que BASF a développé la prochaine génération de convertisseurs. Son équipe les a conçus pour répondre à la prochaine législation européenne qui réduit d'un ordre de grandeur la quantité autorisée de suie, ou pollution par les particules, que les moteurs à essence peuvent émettre.

Une façon de faire est d'installer un filtre supplémentaire qui élimine cette suie. Mais les scientifiques de BASF ont trouvé une meilleure solution qui combine le filtrage des particules avec la conversion catalytique « à trois voies » conventionnelle. Leur astuce était la catalyse d'un filtre poreux sur mesure.

La nouvelle structure est un nid d'abeilles de longs tunnels parallèles qui permettent à l'échappement d'entrer. Les gaz traversent les parois du tunnel où ils sont décomposés dans des réactions catalytiques. Les gaz convertis passent ensuite dans un autre ensemble de tunnels parallèles et sortent du convertisseur.

Les pores des parois du tunnel sont trop petits pour que la suie puisse y pénétrer et celle-ci est piégée puis brûlée pour former du dioxyde de carbone. Les nouveaux dispositifs sont appelés catalyseurs de conversion à quatre voies EMPRO™.

BASF a dû surmonter d'importants défis d'ingénierie pour fabriquer ces appareils. Par exemple, il devait s'assurer que le processus de filtrage n'augmentait pas de manière significative la résistance du moteur, ce qui réduirait la puissance ou augmenterait la consommation de carburant. "Nous y sommes parvenus en partie en développant un nouveau procédé pour appliquer notre composition de catalyseur dans les parois poreuses du filtre plutôt que sur elles", déclare Torsten Neubauer, vice-président de BASF Environmental Catalysis Research Europe. Les premières voitures équipées de composants de conversion à quatre voies BASF sont arrivées sur le marché l'année dernière.

Un autre défi pour Neubauer et ses collègues est de répondre aux besoins des voitures hybrides. Ceux-ci passent constamment de moteurs électriques à un moteur à combustion interne, qui finit par fonctionner à une température plus basse que les moteurs de voiture conventionnels. BASF étudie donc les moyens de rendre les catalyseurs plus efficaces à ces températures plus basses.

"Nous travaillons avec des constructeurs automobiles, des fabricants de pièces et des fournisseurs de substrats de catalyseurs pour réduire davantage les émissions, y compris dans les nouveaux types de véhicules", déclare Tilo Horstmann, vice-président de BASF Mobile Emissions Catalysts. "Je suis convaincu qu'en combinant nos compétences clés, nous pouvons fournir des solutions innovantes pour faire passer l'automobile durable au niveau supérieur."

Les voitures diesel ont eu une presse mitigée. Il n'y a pas si longtemps, les politiciens faisaient la promotion de leur efficacité énergétique - les diesels produisent jusqu'à 20 % de dioxyde de carbone en moins que leurs équivalents essence.

Mais plus récemment, ils ont pris contre les voitures diesel, en particulier après le scandale des tests d'émissions VW, arguant que les oxydes d'azote qu'ils produisent sont un fardeau sanitaire inacceptable dans les villes. En conséquence, les maires de Paris, Madrid, Athènes et Mexico ont annoncé leur intention d'interdire les voitures diesel d'ici 2025.

Aujourd'hui, les dirigeants de l'industrie automobile disent que c'est un pas trop loin. "Nous voyons certaines villes proposer des mesures agressives et irrationnelles contre le diesel", déclare Tilo Horstmann, vice-président de BASF Mobile Emissions Catalysts.

Les véhicules diesel émettent plus de NOx - en moyenne 16,5 fois plus que les versions à essence, selon l'Association des consommateurs du Royaume-Uni. Cependant, cela masque une énorme variation au sein du parc diesel entre les voitures plus anciennes et les plus récentes.

Selon la réglementation européenne, les véhicules diesel légers vendus depuis 2014 ne doivent pas émettre plus de 80 milligrammes/kilomètre de NOx lors des tests en laboratoire, contre 500 mg/km pour ceux vendus avant 2000. La limite équivalente pour les moteurs à essence est de 60 mg/km. À partir de septembre, des normes plus strictes réduiront davantage la pollution, limitant les émissions même dans des conditions de conduite réelles, et pas seulement en laboratoire.

Mais les moteurs diesel sont également plus économes en carburant. Ainsi, une baisse des ventes de voitures diesel neuves réduira les chances de l'Union européenne d'atteindre son objectif de réduire les émissions moyennes de CO2 des voitures neuves de 130 g/km en 2015 à 95 g/km en 2021.

Et c'est là que réside le dilemme, déclare Frank Mönkeberg, responsable de l'ingénierie des applications chez BASF Mobile Emissions Catalysts. "Sans diesel, l'Europe ne pourra pas respecter cette limite."

Cet article est paru en version imprimée sous le titre "L'air que nous respirons"

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