La mission : diminuer les émissions de GES et de carbone noir, réduire l'empreinte environnementale et améliorer la qualité de l'air

 

- Ottawa, Ontario

Stephanie Gagne

Stéphanie Gagné à l'Organisation maritime internationale

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De gauche à droite : Joel Corbin, Stéphanie Gagné et Brett Smith

Obtenir les meilleures mesures des émissions de carbone noir dans le secteur du transport maritime pour mieux gérer leur réduction. C'est la mission du groupe de métrologie du carbone noir au Conseil national de recherches du Canada (CNRC).

Le changement climatique est sur toutes les lèvres, et les gouvernements du monde entier s'efforcent de trouver des solutions fondées sur des preuves pour assurer un meilleur avenir à notre planète. Le carbone noir, deuxième contributeur en importance au réchauffement climatique en importance après le dioxyde de carbone (CO₂), aggrave le réchauffement des territoires enneigés en assombrissant leur surface.

Le carbone noir est l'un des composants des particules fines qui se forment principalement lors de la combustion incomplète des carburants dans les moteurs à combustion interne. Tout comme les gaz à effet de serre (GES), le carbone noir a tendance à réchauffer l'atmosphère en absorbant la chaleur. Lorsqu'il retombe sur le sol, le carbone noir assombrit la neige et la glace dont il accélère la fonte en absorbant le rayonnement solaire et en transformant celui-ci en chaleur. Cela dit, les émissions de carbone noir ont aussi un impact très important sur notre santé. Les particules, de taille minuscule, peuvent en effet pénétrer profondément dans nos poumons et engendrer des maladies cardiovasculaires et respiratoires.

L'équipe de recherche, composée de Joel Corbin (Ph.D.), de Brett Smith, de Prem Lobo (Ph.D.) et de Stéphanie Gagné (Ph.D.) du groupe Métrologie du carbone noir du CNRC, du professeur Patrick Kirchen, de David Sommer, du professeur Steven Rogak et d'Una Trivanovic du département de génie mécanique de l'Université de la Colombie-Britannique, et du professeur Wayne Miller, de Weihan Peng et de Jiacheng Yang (Ph.D.) du Center for Environmental Research and Technology de l'Université de Californie Riverside, a entrepris de mesurer les émissions de carbone noir d'un traversier commercial appartenant à Seaspan Ferries, un navire équipé d'un moteur de toute dernière technologie utilisant du gaz naturel liquéfié (GNL) à la place du diesel. Ce carburant à usage maritime est de plus en plus utilisé pour répondre aux règlements et aux préoccupations environnementales; cependant, nous ne disposons que de peu de données sur les émissions qu'il engendre.

La bonne nouvelle : l'équipe multi-institutionnelle, coordonnée par Stéphanie Gagné, a pu mesurer les émissions de gaz et de particules, notamment les émissions de carbone noir. Cette étude a été effectuée dans le cadre d'un projet soutenu par Transports Canada pour éclairer les discussions menées au sein de l'Organisation maritime internationale (OMI) sur les politiques à appliquer.

L'OMI avait 2 questions importantes à son ordre du jour :

  1. quels sont les instruments capables de mesurer les émissions de carbone noir des navires utilisant une large gamme de carburants (GNL, diesel, etc.)? et
  2. l'adoption du GNL comme carburant est-elle une mesure appropriée pour réduire les émissions de carbone noir provenant des navires?

L'expertise de l'équipe a permis le conditionnement des émissions des navires propulsés au GNL, normalement difficile à analyser du fait de leur teneur en eau, afin d'effectuer un dosage optimal du carbone noir. Les instruments ont ainsi fourni des résultats étonnamment proches si l'on tient compte du fait qu'ils sont basés sur des principes de mesure très différents. Les résultats ont également montré que ce moteur émettait 37 fois moins de carbone noir lorsqu'il était alimenté en GNL par rapport à une alimentation au diesel.

« Il est très motivant de constater que nos mesures permettent d'aider directement une entreprise canadienne à évaluer et à améliorer ses performances environnementales. De plus, nous avons pu étudier l'origine des émissions de carbone noir et d'autres particules provenant des plus récents moteurs bicarburants », explique Stéphanie Gagné, chercheuse principale.

Les moteurs testés appartiennent à Seaspan Ferries. L'équipe a également mesuré les émissions de dioxyde de carbone (CO₂), de méthane (CH₄), d'oxydes d'azote (NOₓ), d'oxydes de soufre (SOₓ) et de monoxyde de carbone (CO).

La campagne de mesures menée à bien sur un navire de Seaspan Ferries, en Colombie-Britannique, a montré que l'utilisation du GNL à la place du diesel permettait de diminuer de 97 % les émissions de carbone noir et de 92 % les émissions de particules. Le GNL permet également de mieux préserver la qualité de l'air à l'échelle locale et de réduire d'environ 20 % les émissions de CO₂.

« Seaspan collabore avec le CNRC depuis début 2018 pour mieux comprendre les émissions associées à nos nouveaux navires GNL-Hybrides exploités en Colombie-Britannique. Cette étude, qui a en particulier consisté à caractériser les particules, nous a permis de mieux comprendre les processus associés à l'émission de carbone noir et d'autres composés à partir de nos moteurs, ainsi que les effets des modifications opérationnelles recommandées sur notre profil d'émission. Nous avons exploité les résultats obtenus pour décider des modifications à apporter à nos opérations et minimiser nos émissions de GES et de particules. Sans l'aide du CNRC, nous n'aurions pas pu atteindre ces conclusions et mettre en œuvre les modifications qui en découlent logiquement », explique Harly Penner, directeur du département d'ingénierie navale et du développement des navires à Seaspan Ferries.

La moins bonne nouvelle : l'utilisation du GNL provoque des émissions de méthane. Mais l'équipe s'est rendu compte que ces émissions pouvaient être réduites grâce à des solutions technologiques et opérationnelles. Les chercheurs ont ainsi pu conseiller les propriétaires de navires sur la manière d'optimiser leurs opérations de façon à en réduire les impacts sur la santé et le climat. Les propriétaires de navires ont adopté la plupart des recommandations communiquées par l'équipe.

Maintenant que le problème de l'émission de méthane associé à l'utilisation du GNL a été mis en évidence, les propriétaires de navires peuvent faire pression sur les fabricants de moteurs pour qu'ils réduisent ces émissions au niveau du moteur lui-même et faire ainsi du GNL un carburant totalement écologique.

L'équipe de recherche a notamment recommandé de connecter les navires à une installation d'alimentation externe lorsqu'ils sont à quai, d'éteindre l'un des 2 moteurs lorsqu'un seul peut fournir suffisamment d'énergie, ce qui augmente la charge du moteur en marche et diminue la quantité de méthane imbrûlé et, pour finir, de recourir à la désactivation de cylindres sous faible charge, lorsque les émissions de méthane sont les plus élevées. La désactivation de cylindres consiste à mettre au repos certains cylindres afin d'augmenter la charge partagée par ceux qui restent en marche. La mise à l'arrêt d'un à 3 cylindres (sur un total de 9) permet d'imposer une charge plus importante aux cylindres restants qui brûleront ainsi plus de méthane, ce qui réduit les émissions atmosphériques de ce gaz.