Réacteurs d'avion et poussières fines: La Suisse prend les commandes

20.05.2015 - Comme tout moteur à combustion, un réacteur d’avion émet des particules fines qui pénètrent jusque dans les poumons. La suie émanant des turbines peut ainsi nuire à la santé et influencer le climat. Grâce à une initiative suisse, la certification des aéronefs en matière de particules fines prend toutefois son envol à l’échelon international.

Contrôle d’un réacteur de jet
Contrôle d’un réacteur de jet à l’aéroport de Zurich-Kloten. Grâce à l’engagement de la Suisse au niveau international, les avions produiront à l’avenir moins de particules de suie nuisibles à la santé.
© Keystone/Christian Beutler

Texte: Beat Jordi

Un avion moderne à deux réacteurs, transportant cent cinquante passagers, brûle quelque 2700 kilogrammes de kérosène par heure de vol. Les masses d’air chaud sortant des turbines et fournissant notamment à l’appareil la poussée nécessaire contiennent, outre 8,5 t de dioxyde de carbone et 3,3 t de vapeur d’eau, de nombreux polluants atmosphériques: des gaz de combustion classiques tels qu’oxydes d’azote (NOx), dioxyde de soufre (SO2), monoxyde de carbone (CO), hydrocarbures (HC) et environ 100 g de particules fines de suie susceptibles d’être inhalées.

80 % de carburant en moins

Depuis l’introduction des avions à réaction dans les années cinquante, les émissions ont considérablement diminué grâce à l’optimisation de la combustion et à la baisse de 80 % de la consommation de carburant. Contrairement aux moteurs à pistons des véhicules routiers, qui fonctionnent en alternance sur plusieurs temps, un réacteur brûle le carburant au moyen d’une flamme stable et constante. Les températures élevées limitent la production de suie, comme pour les brûleurs modernes à huile ou au gaz. Les traînées de fumée noire visibles derrière les avions jusqu’au début des années septante font aujourd’hui figure d’exception.

Dans les années quatre-vingt, l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI) a en effet édicté des valeurs limites d’émission applicables dans le monde entier pour les grosses turbines d’avions à réaction. Cette agence des Nations Unies a d’abord introduit, en 1983, une limitation pour la fumée, puis, en 1986, d’autres seuils concernant les NOx, CO et HC. Depuis, le comité environnemental (CAEP) de l’OACI a divisé par deux la valeur limite relative aux oxydes d’azote, en procédant par étapes.

Des milliards de nanoparticules

Même si les quantités de particules émises sont minimes, les aéroports n’en demeurent pas moins une source d’émission de poussières fines pouvant affecter la santé de la population. « Les particules rejetées par les turbines des avions et susceptibles d’être inhalées sont si petites que leur masse est infime », explique Theo Rindlisbacher, de la section Environnement à l’Office fédéral de l’aviation civile (OFAC). « Dans les gaz d’échappement des réacteurs, il y a généralement 0,1 milligramme de suie par mètre cube. Mais cela correspond à 10 000 milliards de particules ultrafines, souvent beaucoup plus petites que celles que produisent les véhicules motorisés. »

Alors que l’ordonnance sur la protection de l’air (OPair) prend en considération les particules en suspension d’un diamètre de dix micromètres (PM 10), il faudrait aujourd’hui quantifier les PM 0,1 dans les turbines d’avion, ne serait-ce que pour pouvoir observer leur réduction résultant de mesures techniques. C’est pourquoi les particules émises par les réacteurs sont désormais aussi comptées, comme c’est le cas dans toute l’Europe pour les voitures et les camions diesel et, en Suisse, pour les machines de chantier.

Quantités de gaz et de particules rejetées par un avion biréacteur
Quantités de gaz et de particules rejetées par un avion biréacteur courant de 150 places pendant une heure de vol
© Ruth Schürmann
Emissions réparties par groupes d’émetteurs
A Zurich-Kloten, le principal aéroport du pays, c’est l’activité aérienne proprement dite qui produit la part majeure des polluants parmi les principaux groupes d’émetteurs.
© aéroport de Zurich

Prototype élaboré par l’OFACPrenant appui sur le plan d’action contre les poussières fines adopté en 2006 par le Conseil fédéral, l’OFAC a plaidé auprès de l’OACI en faveur d’une certification des réacteurs dans ce domaine, et l’a obtenue. « Vu les progrès réalisés pour d’autres sources d’émissions - voitures, camions ou machines de chantier -, l’aviation risquait de devenir l’un des principaux générateurs de particules fines si les fabricants de réacteurs ne réagissaient pas », affirme Theo Rindlisbacher.Malgré le soutien de l’OACI, le projet a connu des débuts difficiles, les partenaires internationaux ne trouvant pas d’entreprise pilote appropriée. Finalement, l’OFAC a réussi à convaincre la société SR Technics, spécialisée dans l’entretien des avions. Un prototype destiné à mesurer les particules fines rejetées par les turbines d’avion a été construit en 2011 sur le site de l’entreprise à Zurich-Kloten. Il est ainsi possible de profiter des essais qui sont de toute façon réalisés pour l’entretien des réacteurs. Sachant que les gaz d’échappement peuvent atteindre 800 degrés Celsius, on peut imaginer la prouesse technique que représentent le développement et la fabrication d’une sonde destinée à mesurer les émissions de particules de suie.Le projet décolleCette installation est aujourd’hui une référence internationale. Elle a donné au projet l’élan nécessaire: des partenaires et des services de certification européens, américains et canadiens envoient leurs experts à Zurich pour des tests. Les principaux fabricants mondiaux de réacteurs - tels que GE Aviation (USA), Rolls Royce (GB), Pratt & Whitney (USA), MTU Aero Engines (D), Honeywell (USA) et SNECMA (F) - sont également très intéressés par les campagnes de mesures sur le site de SR Technics. Ainsi, GE Aviation et SNECMA ont mis à disposition de l’EMPA, l’institut de recherche qui exploite le système de mesure avec SR Technics et l’OFAC, un réacteur d’une valeur de quatorze millions de francs environ pour réaliser des essais.

Dispositif destiné à mesurer les émissions de particules de suie issues
Dispositif destiné à mesurer les émissions de particules de suie issues des réacteurs d’avion. Le prototype mis au point en Suisse et installé sur le site de l’entreprise SR Technics à Zurich-Kloten est désormais considéré comme une référence au niveau mondial. La sonde de mesure est montée sur la poutre en acier rouge. Elle doit être très résistante et supporter des températures de gaz d’échappement s’élevant à 800 degrés.
© OFAC/SR Technics

Mesurer le nombre et la masse des particules

Chaque seconde, l'installation mesure la masse de particules contenues dans un mètre cube de gaz d'échappement et leur nombre, en incluant celles qui ne représentent que quelques nanomètres. « L'introduction de la certification ouvra la voie au développement de turbines pratiquement exemptes de suie », constate Theo Rindlisbacher. « En effet, les fabricants utilisent déjà les données mesurées pour optimiser la combustion lors de l'élaboration de nouveaux réacteurs. »

Le nouveau réacteur GEnx de GE Aviation prouve qu'il est techniquement possible de réduire les oxydes d'azote (nocifs pour la santé), le dioxyde de carbone (un gaz à effet de serre) et le bruit des turbines, tout en éliminant presque toutes les particules ultrafines. Il dispose notamment d'une chambre de combustion dans laquelle les flux d'air sont améliorés, ce qui permet de minimiser les rejets de polluants.

Au sein du comité environnemental de l'OACI, Theo Rindlisbacher dirige, avec un représentant de l'autorité fédérale américaine de l'aviation (Federal Aviation Administration; FAA), le projet international de norme sur les poussières fines pour les réacteurs d'avion. En septembre 2014, les membres de ce comité ont approuvé la proposition de commencer par mesurer de manière uniformisée les émissions de particules des plus grosses turbines. Les données de vingt-cinq réacteurs représentatifs serviront ensuite de base de décision pour l'introduction des valeurs limites d'émissions visant à protéger la santé et le climat.

Norme de transition

Les prescriptions prévues dans un premier temps à titre de normes temporaires ne stipulent certes aucune limitation de particules fines plus stricte que le volume des suies observé jusqu'à présent selon des critères optiques. La certification des turbines exige toutefois la publication de facteurs d'émissions respectant la santé et le climat. Les fabricants ont accepté que la certification concerne non seulement les nouveaux réacteurs, mais aussi ceux parmi les plus gros dont la production se poursuivra jusqu'à début 2020.

La norme de transition doit fixer une valeur limite pour la concentration massique maximale, que le moteur tourne au ralenti ou à plein régime. En général, la consommation de kérosène et les rejets de polluants d'un avion dépendent beaucoup de la poussée des turbines, de l'altitude et de la vitesse, qui varient selon la phase de vol. Dans le calcul des émissions à proximité du sol, le cycle atterrissage-décollage (landing/take-off, LTO) est décisif. Il comprend tous les mouvements jusqu'à 3000 pieds (environ 900 m) au-dessus du sol, c'est-à-dire les quatre phases d'approche, de roulage au sol, de décollage et de montée, effectuées dans un rayon d'environ 20 km autour de l'aéroport. A partir de 2020, le nombre et la masse de particules émises par kg de carburant devront être attestés dans la norme de transition pour ces quatre séquences. Les valeurs limites correspondantes suivront autour de 2023. Il conviendra également de déterminer les valeurs maximales, puisque certains réacteurs n'atteignent pas leur pic d'émissions à plein régime. Ainsi, les particules les plus fines sont émises au ralenti, sur le tarmac.

La sécurité reste primordiale

Ce nouveau chapitre de la certification liée aux particules fines devrait être adopté en février 2016 dans le cadre du comité environnemental CAEP. Un projet, corédigé par la Suisse, complétera l'annexe 16 de l'OACI, qui définit toutes les normes environnementales relatives aux aéronefs et aux réacteurs au niveau international.

La sécurité doit toujours être un critère important. « Il faut que les turbines soient très solides pour pouvoir, par exemple, traverser une mousson sans dommages ou redémarrer à 10‘000 m d'altitude », souligne Theo Rindlisbacher. « Les changements de conditions de fonctionnement et de charge, qui se produisent surtout en cas de turbulences, de remise de gaz et dans la phase d'approche, imposent des exigences extrêmes au développement technique des réacteurs. »

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Dernière modification 20.05.2015

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