APPROCHE PLURIDISCIPLAIRE DE L’IMPACT DES BIOCARBURANTS SUR LES SYSTEMES DE POST-TRAITEMENTS DIESEL – APPIBio

Le projet APPIBio se propose d’étudier en détail la durabilité du système de post-traitement lors de l’utilisation massive de biodiesel en prenant en compte l’interdépendance entre les trois différentes briques du système de dépollution. Le projet se divise en deux axes principaux. Le premier concerne l’étude de la désactivation des catalyseurs d’oxydation DOC (oxydation de CO et des hydrocarbures imbrulés) et de SCR (réduction des NOx) par empoisonnement par les éléments chimiques Na, K et P, poisons pris individuellement, puis simultanément. De plus, l’influence des hydrocarbures oxygénés spécifiques issus de la combustion du biocarburant sera aussi examinée sur le DOC. Il s’agit d’évaluer leur réactivité intrinsèque, et de déterminer d’éventuelles compétitions. Le rapport NO2/NO, dépendant du DOC placé en amont des autres systèmes, sera examiné avec soin car c’est un paramètre clé impactant à la fois l’efficacité du catalyseur de réduction des NOx et la régénération passive du FAP. Le comportement des catalyseurs empoisonnés vis-à-vis de traitements thermique sera examiné (vieillissement et/ou régénération) Le deuxième axe concerne le traitement des suies. Aujourd’hui, peu d’informations sont disponibles sur la physico-chimie et la réactivité des particules formées suite à l’utilisation de biocarburants. L’impact des poisons sur la réactivité des suies (régénération passive et active) sera étudié en termes de mécanismes et cinétiques, à la fois sur des suies modèles et réelles, toutes générées dans le projet. L’ensemble des résultats obtenus au cours de ce projet servira à alimenter le modèle global prédictif de vieillissement des procédés de dépollution, interne à Renault Trucks. Enfin, dès lors que les différents impacts seront identifiés, chaque partenaire impliqué pourra proposer de nouvelles formulations catalytiques dans le but d’avoir des systèmes catalytiques résistants à l’utilisation de ses nouveaux carburants.

Le projet a permis un développement significatif des connaissances concernant les interactions entre chacune des trois briques catalytiques (DOC, FAP, SCR) et les différents éléments/molecules liés à l’usage de biodiesel.
L'essentiel des résultats publics est décrit dans les 10 publications scientifiques issues des travaux relatifs au projet (voir item correspondant).

Renault Trucks va intégrer les données collectées pour affiner leur modèle interne concernant l’évolution de l'efficacité du post traitement, en intégrant l’usage des biocarburants.
Le projet Appibio a également permis le développement de nouveaux partenariats entre les membres du consortium. En particulier, une thèse CIFRE associant Renault-Trucks et IRCELYON a débutée en novembre 2017 sur l’étude du vieillissement des systèmes de post traitement. De plus, deux contrats de prestation Renault-Trucks - IRCELYON et Renault-Trucks – IC2MP portant sur la caractérisation d’échantillons ont été signés.

PUBLICATIONS :
1- Impacts of oxygenated compounds concentration on sooting propensities and soot oxidative reactivity: Application to Diesel and BioDiesel surrogates
Abboud et al., Fuel 193 (2017) 241–253
DOI: 10.1016/j.fuel.2016.12.034
2- Biofuel impact on Diesel engine after-treatment: deactivation mechanisms and soot reactivity.
Iojoiu et al.
Emission Control Science and Technology 4 (2017) 15-32.
DOI: 10.1007/s40825-017-0079-x
3- Impact of bioDiesel impurities on carbon oxidation in passive regeneration conditions: Influence of the alkali metals.
Schobing et al, Applied Catalysis B 226 (2018) 596-607
DOI: 10.1016/j.apcatb.2017.12.011
4- Influence of the sodium impregnation solvent on the deactivation of Cu/FER exchanged zeolites dedicated to the SCR of NOx with NH3.
Tarot et al., Catalysts 8 (2018) 3
DOI: 10.3390/catal8010003
5- Impacts of ester’s carbon chain length and concentration on sootingpropensities and soot oxidative reactivity: Application to Diesel and bioDiesel surrogates
Abboud et al., Fuel 222 (2018) 586-598
DOI: 10.1016/j.fuel.2018.02.103
6- Influence of sodium and/or phosphorus addition on the deactivation of Cu-FER exchanged zeolites for SCR of NOx with NH3.
Tarot et al., Topics in Catalysis (2018)
DOI: 10.1007/s11244-018-1117-9
7- Impact of engine operating cycle, bioDiesel blends and fuel impurities on soot production and soot characteristics
Schobing et al., Combustion and Flame198 (2018) 1–13
DOI: 10.1016/j.combustflame.2018.08.025
8- Effect of Na, K, Ca and P-impurities on diesel oxidation catalysts (DOCs)
Anguita et al., Chemical Engineering Journal 352 (2018) 333-342
DOI: 10.1016/j.cej.2018.07.040
9- Influence of Na, P and (Na+P) poisoning on a model copper-ferrierite NH3-SCR catalyst.
Tarot et al., Applied Catalysis B (2019)
DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.03.044
10- Study of hydrothermal aging impact on Na- and P-modified diesel oxidation catalyst (DOC).
Anguita et al., Journal Catal 375 (2019) 329-338
DOI: 10.1016/j.jcat.2019.06.028

La norme Euro VI pour les poids lourds, entrée en vigueur en 2014, vise à réduire de 80% les rejets de NOx et de 66% ceux des particules par rapport à la norme Euro V. Cela implique la mise en œuvre d’un système de post-traitement des gaz d’échappement complexe, intégrant à la fois un catalyseur d’oxydation (DOC) pour traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone, un catalyseur de réduction sélective des NOx (SCR), et un filtre à particules (FAP). Parallèlement, la directive européenne 2009/33/CE impose à moyen terme un développement de la part des biocarburants afin de réduire les émissions globales de CO2. Cependant, les biocarburants sont connus pour présenter des teneurs en métaux alcalins (Na, K) ou phosphore (P) qui sont des poisons potentiels pour la chaine de post-traitement. La norme européenne 14214 fixe à respectivement 5 et 10 ppm les teneurs maximales en alcalins et phosphore. Or, les constructeurs de poids lourds sont tenus de respecter les normes Euro actuelles sur une durée de 7 ans ou 700 000km. Compte tenu de ces objectifs de durabilité, ces teneurs en Na, K et P ne sont pas négligeables. Il existe un risque réel d’une dégradation trop importante de l’efficacité globale du système de dépollution, en particulier pour les véhicules de flottes captives fonctionnant avec des carburants entièrement issus de la filière végétale (bus, véhicules de ramassage d’ordures ménagères, …). Cette problématique est une préoccupation majeure des industriels du secteur, notamment pour Renault Trucks/VOLVO Powertrain. Le projet de recherche APPIBio se propose donc d’étudier en détail la durabilité du système de post-traitement lors de l’utilisation massive de biodiesel (empoisonnement DOC et SCR ; réactivité des suies spécifiques formées...) en prenant en compte l’interdépendance entre les différentes briques du système de dépollution.
Le projet peut se diviser en deux axes principaux.
Le premier concerne l’étude de la désactivation des catalyseurs DOC et SCR par empoisonnement par les éléments inorganiques Na, K et P, en considérant tout d’abord chaque poison pris individuellement, puis simultanément. De plus, l’influence des hydrocarbures oxygénés spécifiques issus de la combustion du biocarburant sera aussi examinée sur le DOC. Il s’agira d’évaluer leur réactivité intrinsèque, et de déterminer d’éventuelles compétitions. Le rapport NO2/NO, dépendant du DOC placé en amont des autres systèmes, sera examiné avec soin car c’est un paramètre clé impactant à la fois l’efficacité du catalyseur SCR et la régénération passive du FAP. Le comportement des catalyseurs empoisonnés vis-à-vis de traitements thermique sera examiné (vieillissement et/ou régénération ?)
Le deuxième axe traitera du problème spécifique des suies. Aujourd’hui, peu d’informations sont disponibles sur la physico-chimie et la réactivité des particules formées suite à l’utilisation de biocarburants. L’impact des poisons sur la réactivité des suies (régénération passive et active) sera étudié en termes de mécanismes et cinétiques, à la fois sur des suies modèles et réelles, toutes générées dans le projet.
L’ensemble des résultats obtenus au cours de ce projet servira à alimenter le modèle global prédictif de vieillissement des procédés de dépollution, interne à Renault Trucks, afin de prédire au mieux l’évolution du système en fonction de l’usage de bioDiesel. Enfin, dès lors que les différents impacts seront identifiés, chaque partenaire impliqué pourra proposer de nouvelles formulations catalytiques dans le but d’avoir des systèmes catalytiques résistants à l’utilisation de ses nouveaux carburants. Pour mener à bien ce projet ambitieux, un consortium possédant les compétences nécessaires à la réalisation des différentes tâches prévues a été constitué. Il regroupe un constructeur de poids lourds (Renault Trucks) et quatre laboratoires académiques des Universités de Paris, Poitiers, Mulhouse et Lyon.