Les chercheurs ont analysé le cycle de vie complet de plusieurs options de carburant et ont constaté que cette approche a un impact environnemental comparable, dans l’ensemble, à celui de la combustion de carburants à faible teneur en soufre.
Lorsque l’Organisation maritime internationale a imposé un plafond obligatoire sur la teneur en soufre des combustibles marins en 2020, dans le but de réduire les effets néfastes sur l’environnement et la santé, les compagnies maritimes se sont retrouvées face à trois options principales.
Elles pouvaient brûler des combustibles fossiles à faible teneur en soufre, comme le gazole marin, ou installer des systèmes d’épuration pour éliminer le soufre des gaz d’échappement produits par la combustion du fioul lourd. Les biocarburants à faible teneur en soufre offrent une autre solution, bien que leur disponibilité limitée en fasse une option moins réalisable.
Si l’installation de systèmes d’épuration des gaz d’échappement, connus sous le nom de laveurs, est l’option la plus réalisable et la plus rentable, les entreprises, les décideurs politiques et les scientifiques n’ont pas toujours été convaincus du caractère « écologique » de ces laveurs.
Grâce à une nouvelle évaluation du cycle de vie, des chercheurs du MIT, de Georgia Tech et d’ailleurs ont découvert que la combustion de fioul lourd avec des épurateurs en haute mer peut égaler ou dépasser l’utilisation de combustibles à faible teneur en soufre, lorsque l’on tient compte d’un large éventail de facteurs environnementaux.
Les scientifiques ont combiné des données sur la production et le fonctionnement des épurateurs et des carburants avec des mesures d’émissions effectuées à bord d’un cargo océanique.
Ils ont constaté que, si l’on tient compte de l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement, la combustion de fioul lourd avec des épurateurs est l’option la moins nocive pour la quasi-totalité des dix facteurs d’impact sur l’environnement qu’ils ont étudiés, tels que les émissions de gaz à effet de serre, l’acidification terrestre et la formation d’ozone.
« Dans le cadre de notre collaboration avec Oldendorff Carriers en vue d’étudier de manière générale la réduction de l’impact environnemental du transport maritime, cette étude sur les épurateurs s’est révélée être une question transitoire importante et d’une profondeur inattendue », indique Neil Gershenfeld, professeur au MIT, directeur du Center for Bits and Atoms (CBA) et auteur principal de l’étude.
« Les affirmations concernant les risques environnementaux et les politiques visant à les atténuer doivent être étayées par la science. Il faut voir les données, être objectif et concevoir des études qui tiennent compte de l’ensemble du tableau pour pouvoir comparer différentes options d’un point de vue comparatif », ajoute l’auteur principal, Patricia Stathatou, professeur adjoint à Georgia Tech, qui a commencé cette étude en tant que post-doctorante au CBA.
Stathatou est rejointe dans cet article par Michael Triantafyllou, titulaire de la chaire Henry L. and Grace Doherty en sciences et ingénierie océaniques au département d’ingénierie mécanique, ainsi que par d’autres chercheurs de l’université technique nationale d’Athènes (Grèce), de Naias Laboratories et de la société de transport maritime Oldendorff Carriers. Ces travaux de recherche sont publiés aujourd’hui dans la revue Environmental Science and Technology.
Réduction des émissions de soufre
Le fioul lourd, traditionnellement utilisé par les vraquiers qui représentent environ 30 % de la flotte maritime mondiale, a généralement une teneur en soufre de l’ordre de 2 à 3 %. Cette teneur est bien supérieure au plafond fixé par l’Organisation maritime internationale pour 2020, qui est de 0,5 % dans la plupart des zones océaniques et de 0,1 % dans les zones situées à proximité des centres de population ou des régions écologiquement sensibles.
Les émissions d’oxyde de soufre contribuent à la pollution de l’air et aux pluies acides, et peuvent endommager le système respiratoire humain.
En 2018, moins de 1 000 navires ont utilisé des épurateurs. Après l’entrée en vigueur du plafond, la hausse des prix des combustibles fossiles à faible teneur en soufre et la disponibilité limitée des combustibles de substitution ont incité de nombreuses entreprises à installer des épurateurs afin de pouvoir continuer à utiliser du fioul lourd.
Aujourd’hui, plus de 5 800 navires utilisent des épurateurs, dont la majorité sont des épurateurs humides à circuit ouvert.
« Les épurateurs sont une technologie très mature. Ils sont traditionnellement utilisés depuis des décennies dans des applications terrestres telles que les centrales électriques pour éliminer les polluants », explique Mme Stathatou.
Un épurateur marin humide à circuit ouvert est un énorme réservoir métallique vertical installé dans la cheminée d’échappement d’un navire, au-dessus des moteurs. À l’intérieur, de l’eau de mer prélevée dans l’océan est pulvérisée à travers une série de buses vers le bas pour laver les gaz d’échappement chauds qui sortent des moteurs.
L’eau de mer interagit avec le dioxyde de soufre présent dans les gaz d’échappement et le transforme en sulfates, des composés solubles dans l’eau et inoffensifs pour l’environnement qui sont naturellement présents dans l’eau de mer. L’eau de lavage est rejetée dans l’océan, tandis que les gaz d’échappement nettoyés s’échappent dans l’atmosphère avec peu ou pas d’émissions de dioxyde de soufre.
Mais les eaux de lavage acides peuvent contenir d’autres sous-produits de combustion tels que des métaux lourds. Les scientifiques se sont donc demandé si les épurateurs étaient comparables, d’un point de vue environnemental global, à la combustion de carburants à faible teneur en soufre.
Plusieurs études ont exploré la toxicité des eaux de lavage et la pollution des systèmes de carburant, mais aucune n’a permis de dresser un tableau complet de la situation.
Les chercheurs ont entrepris de combler cette lacune scientifique.
Une analyse « bien réveillée
L’équipe a réalisé une évaluation du cycle de vie à l’aide d’une base de données environnementale mondiale sur la production et le transport de combustibles fossiles, tels que le fioul lourd, le gazole marin et le fioul à très faible teneur en soufre. Il est essentiel de prendre en compte l’ensemble du cycle de vie de chaque combustible, car la production de combustible à faible teneur en soufre nécessite des étapes de traitement supplémentaires dans la raffinerie, ce qui entraîne des émissions supplémentaires de gaz à effet de serre et de particules.
« Si l’on considère tout ce qui se passe avant que le carburant ne soit stocké à bord du navire, le fioul lourd a un impact environnemental nettement plus faible que les carburants à faible teneur en soufre », affirme-t-elle.
Les chercheurs ont également collaboré avec un fabricant d’épurateurs afin d’obtenir des informations détaillées sur tous les matériaux, les processus de production et les étapes de transport impliqués dans la fabrication et l’installation des épurateurs marins.
« Si l’on considère que l’épurateur a une durée de vie d’environ 20 ans, les impacts environnementaux de sa production sont négligeables par rapport à la production de fioul lourd », ajoute-t-elle.
Pour la dernière partie de l’étude, Mme Stathatou a passé une semaine à bord d’un vraquier en Chine pour mesurer les émissions et recueillir des échantillons d’eau de mer et d’eau de lavage. Le navire brûlait du fioul lourd avec un épurateur et des carburants à faible teneur en soufre dans des conditions océaniques et des réglages de moteur similaires.
La collecte de ces données à bord a été la partie la plus difficile de l’étude.
« Tous les équipements de sécurité, combinés à la chaleur et au bruit des moteurs d’un navire en mouvement, étaient très impressionnants », dit-t-elle.
Les résultats montrent que les épurateurs réduisent les émissions de dioxyde de soufre de 97 %, ce qui place le fioul lourd au même niveau que les carburants à faible teneur en soufre. Les chercheurs ont observé des tendances similaires pour les émissions d’autres polluants tels que le monoxyde de carbone et l’oxyde nitreux.
En outre, ils ont testé des échantillons d’eau de lavage pour plus de 60 paramètres chimiques, dont l’azote, le phosphore, les hydrocarbures aromatiques polycycliques et 23 métaux.
Les concentrations des produits chimiques réglementés par l’OMI étaient bien inférieures aux exigences de l’organisation. Pour les substances chimiques non réglementées, les chercheurs ont comparé les concentrations aux limites les plus strictes imposées aux effluents industriels par l’Agence américaine de protection de l’environnement et l’Union européenne.
La plupart des concentrations de produits chimiques étaient inférieures d’au moins un ordre de grandeur à ces exigences.
En outre, comme les eaux de lavage sont diluées des milliers de fois lorsqu’elles sont dispersées par un navire en mouvement, les concentrations de ces produits chimiques seraient encore plus faibles en haute mer.
Ces résultats suggèrent que l’utilisation d’épurateurs avec le fioul lourd peut être considérée comme égale ou plus respectueuse de l’environnement que les carburants à faible teneur en soufre dans de nombreuses catégories d’impact étudiées par les chercheurs.
« Cette étude démontre la complexité scientifique du flux de déchets des épurateurs. Grâce à une étude pluriannuelle, complète et évaluée par des pairs, les craintes et les hypothèses communément admises sont désormais écartées », commente Scott Bergeron, directeur général d’Oldendorff Carriers et coauteur de l’étude.
Thomas Klenum, vice-président exécutif chargé de l’innovation et des affaires réglementaires au registre libérien, ajoute : « Cette étude, la première du genre sur une base bien éveillée, apporte une contribution très précieuse aux discussions en cours au sein de l’OMI ».
En fin de compte, cette étude montre l’importance d’incorporer des évaluations du cycle de vie dans les futures politiques de réduction de l’impact sur l’environnement, explique Mme Stathatou.
« On parle beaucoup du passage à des carburants alternatifs à l’avenir, mais dans quelle mesure ces carburants sont-ils écologiques ? Nous devons faire preuve de diligence raisonnable et les comparer aux solutions existantes afin d’en évaluer les coûts et les avantages », conclut elle.
Cette étude a été financée en partie par Oldendorff Carriers.
Légende illustration : La photo montre le navire Hedwig Oldendorff dans le port de Taicang, en Chine, avant le début du voyage de contrôle des émissions. Crédit : Patricia Stathatou
Article : « Marine Scrubbers vs Low-Sulfur Fuels: A Comprehensive Well-To-Wake Life Cycle Assessment Supported by Measurements Aboard an Ocean-Going Vessel » – DOI : 10.1021/acs.est.4c10006
