Methane slip dans les moteurs GNL : types de moteurs et impact sur le bilan GES

Les moteurs alimentés au gaz ne brûlent pas tout le méthane : une faible part traverse la chambre de combustion sans être brûlée et se retrouve dans les gaz d’échappement sous la forme de ce que l’on appelle le methane slip (échappement de méthane). Le méthane étant un puissant gaz à effet de serre, le slip dégrade le bilan des émissions, y compris lorsque le carburant est du bioLNG. L’ampleur du slip dépend du type de moteur, de la charge, du rapport air/carburant et des réglages. Dans le règlement FuelEU Maritime, les valeurs par défaut diffèrent selon le type de moteur marin – d’environ 0,2 % à plus de 3 % de la masse de carburant consommé.

Conversion du slip en gCO₂e/MJ

Le méthane a un pouvoir calorifique d’env. 50 MJ/kg. Un slip de valeur s (en fraction de la masse de carburant) signifie s kg de CH₄ non brûlé pour chaque kg de carburant, c’est-à-dire s/50 kg par MJ. Émission en gCO₂e/MJ = s/50 × 1 000 g × GWP. Pour GWP₁₀₀ = 28 :

Pour un horizon de 20 ans (GWP env. 80–84), les valeurs seraient environ trois fois plus élevées.

Types de moteurs

Dans FuelEU Maritime, plusieurs catégories de moteurs GNL ont été distinguées, pour lesquelles des valeurs de slip par défaut ont été retenues (les valeurs peuvent être mises à jour ; il faut consulter l’annexe en vigueur) : notamment les moteurs bicarburant à vitesse moyenne à allumage commandé (slip de l’ordre de quelques pour cent), les moteurs bicarburant à basse vitesse à allumage commandé (environ 1,7 %), les moteurs bicarburant à basse vitesse à allumage par compression (environ 0,2 %) et les moteurs à mélange pauvre à allumage commandé (environ 2,6 %). Dans le transport routier, les valeurs dépendent de la technologie : les moteurs stœchiométriques avec catalyseur trois voies ont généralement un slip faible, les moteurs bicarburant HPDI ont un autre profil d’émissions, et les moteurs à mélange pauvre sans systèmes supplémentaires – un profil plus élevé.

D’où vient le slip

1. Faible charge : combustion plus faible, parois froides de la chambre.
2. Interstices et volumes morts dans la chambre : le gaz n’atteint pas la flamme.
3. Balayage du cylindre dans les moteurs à deux temps et bicarburant : une partie du mélange s’échappe.
4. Mélange trop pauvre ou trop riche.
5. Vieillissement du catalyseur et encrassement.

Réduction

• choix d’un moteur à faible slip (par ex. bicarburant à allumage par compression, moteur stœchiométrique avec catalyseur),
• optimisation de la commande et évitement d’un fonctionnement prolongé à faible charge,
• utilisation de catalyseurs d’oxydation du méthane (difficile en raison de la stabilité du CH₄ et de la température requise),
• recirculation des gaz d’échappement et modifications de conception,
• en navigation – choix d’autres carburants ou de systèmes hybrides.

Exemple de calcul pour un navire

Hypothèses : un navire consomme 10 000 t de bioLNG par an (énergie 500 TJ à 50 MJ/kg), slip de 3,1 %. Méthane non brûlé : 310 t. Avec GWP₁₀₀ = 28, cela représente 8 680 t de CO₂e par an. Si le moteur est remplacé par un type à slip de 0,2 %, les émissions dues au slip tombent à 20 t de CH₄ et 560 t de CO₂e, soit plus de 8 000 t de CO₂e de moins par an. À titre de comparaison, le CO₂ de combustion de cette quantité de carburant serait d’env. 27 500 t (10 000 × 2,75), mais il est biogénique et n’est pas compté dans le bilan selon les règles de FuelEU.

Enseignements pour les fournisseurs et les armateurs

• Le seul choix du bioLNG ne garantit pas de faibles émissions ; il faut un moteur approprié.
• Les conditions des contrats de carburant devraient tenir compte de la documentation relative aux GES et des paramètres du moteur.
• Les producteurs de bioLNG peuvent rivaliser par leur empreinte de production, mais ne contrôlent pas le slip chez le client.
• La réglementation continuera de développer la méthodologie de calcul du slip.

Où trouver les valeurs actuelles

Les valeurs de slip par défaut dans FuelEU Maritime figurent dans les annexes du règlement et peuvent être mises à jour par des actes délégués ; pour les calculs, utilisez donc la version en vigueur du texte sur EUR-Lex. Les armateurs peuvent aussi appliquer des valeurs réelles fondées sur des mesures certifiées, si elles sont reconnues par les organismes de vérification. Dans le transport routier, les données des constructeurs de moteurs et les études d’instituts indépendants sont la base de l’évaluation du slip, et les normes d’essai ne couvrent pas toujours le méthane non brûlé ; il vaut donc la peine d’interroger les fournisseurs à ce sujet.

Conclusion

Le methane slip des moteurs est un facteur qui peut annuler une partie des avantages du bioLNG. Un choix approprié de la technologie et l’optimisation du fonctionnement du moteur limitent cet effet.