Limitation combinée du bruit et des émissions polluantes de générateurs thermiques

Les générateurs thermiques présentent de nombreux avantages lorsqu’il s’agit de produire de d’électricité dans des contextes variés (pas seulement sous la forme de groupes électrogènes pour constituer une source d’alimentation constante ou suppléer à des pannes de secteur: parfois aussi pour de la cogénération i.e. de la production simultanée d’électricité et de chaleur), tant pour ce qui concerne les modalités d’implémentation d’une installation (e.g. prérequis, intervalle de temps avant la mise en service, coût, maintenance), que pour ce qui a à voir avec ses conditions d’exploitation (e.g. modularité, performance).

Le déploiement de générateurs thermiques est donc assez largement répandu, non seulement à l’intérieur de bâtiments (locaux techniques, chaufferies) mais aussi à l’extérieur (e.g. pour les besoins de centres de données informatiques, ces derniers temps) y compris parfois - même lorsqu’un site industriel est concerné - à proximité immédiate de bâtiments (d’habitation, de bureaux, dans des établissements de soins) ; il s’agit parfois de moteurs de très forte puissance (1 ou plusieurs méga-Watt), et la prise en compte de la limitation du bruit et des émissions polluantes est indispensable pour un projet de construction ou de rénovation de centrale électrique réussi.

Pour ce qui a à voir avec le bruit, les installations de production d’énergie (comme d’autres Installations Classées pour la Protection de l’Environnement - ICPE -) sont soumises à des contraintes réglementaires avec, notamment, les impératifs suivants (en France) :

• ne pas dépasser la limite admissible pour l’émergence: il s’agit de la différence entre les niveaux de pression continus équivalents pondérés A du bruit ambiant - installation considérée en fonctionnement - et du bruit résiduel - en l’absence du bruit généré par l’installation considérée, mais mesuré sur sa période de fonctionnement) dans les zones à émergence réglementée (ZER) ; selon le contexte: 5 ou 6 dB(A) en période diurne et 3 ou 4 dB(A) en période nocturne
• ne pas avoir de composante tonale du bruit: quand, en considérant un spectre de tiers d’octave non pondéré dû au fonctionnement de l’installation, le niveau dans une bande de fréquence dépasse de 5 dB ou plus le niveau moyen des deux bandes de fréquence adjacentes de 400 Hz à 6300 Hz ou de 10 dB celui des deux bandes de fréquence adjacentes de 63 à 315 Hz
• ne pas excéder le niveau admissible en limite de propriété, fixé par arrêté préfectoral - typiquement 70 dB(A) en période diurne, 60 dB(A) en période nocturne -

De plus, en milieu de travail (e.g. dans un site industriel), pour ce qui concerne l’Europe, la directive 2003/10/CE du Parlement européen et du Conseil, du 6 février 2003, concernant les prescriptions minimales de sécurité et de santé relatives à l'exposition des travailleurs aux risques dus aux agents physiques (bruit) est applicable :

• pour le niveau d’exposition quotidienne au bruit L EX, 8h: 80 dB(A) et 85 dB(A) sont les seuils, respectivement inférieur et supérieur, déclenchant l’action ; 87 dB(A) est la valeur limite autorisée
• pour la pression acoustique de crête ρcrête: 112 Pa i.e. 135 dB(C) et 140 Pa i.e. 137 dB(C) sont les seuils, respectivement inférieur et supérieur, déclenchant l’action ; 200 Pa i.e. 140 dB(C) est la valeur limite autorisée

Pour ce qui a à voir avec la pollution de l'atmosphère (par les gaz d’échappement), les installations de combustion moyennes (MCP)^[0]  font l’objet d’une réglementation dédiée^[1] [2] (en France). Des valeurs limites d'émission (en mg/Nm3) sont ainsi désormais fixées:

• selon le combustible
  • solide: bimasse ou autre
  • liquide: gas-oil - pour moteurs diesel - ou autre
  • gazeux: gaz naturel ou autre
• pour différents polluants :
  • le dioxyde de soufre (SO₂)
  • les oxydes d'azote NO_x
  • les poussières

Pour ce qui concerne les oxydes d'azote NO_x:

• pour les moteurs et turbines à gaz existants, ces limites sont (dans le Tableau 3 de la Partie 1 de l'Annexe II de la directive (UE) n° 2015/2193 du 25 novembre 2015) définies de la manière suivante: respectivement 190 mg/Nm3 sauf exceptions^[3] et 200 mg/Nm3 sauf exception^[4]
• pour les nouveaux moteurs et les nouvelles turbines à gaz, ces limites sont (dans le Tableau 2 de la Partie 2 de l'Annexe II de la directive (UE) n° 2015/2193 du 25 novembre 2015) définies de la manière suivante: respectivement 190 mg/Nm3 sauf exceptions^[5] et 75 mg/Nm3 sauf exceptions^[6]

ITS participera à la limitation combinée du bruit et des émissions polluantes de 7 générateurs thermiques de puissance unitaire supérieure à 3 MW dans un centre de données informatiques situé en Europe de l’Ouest.

La ligne d’échappement de chaque moteur comportera ainsi :

• un silencieux d'échappement pour groupes électrogènes

• Il s’agit d’un matériel permettant l’atténuation du bruit :

  • en basse et moyenne fréquence (étage réactif): principalement par la présence de discontinuités (changements de section ou/et de la direction du flux gazeux) en relation avec des chambres reliées par des tubes (perforés ou non) dont il résulte des réductions ponctuelles, cumulables, de la puissance acoustique
  • en haute fréquence (étage dissipatif): par la présence de matériaux fibreux dont l’interaction avec le flux gazeux (lorsqu’il circule entre des surfaces ainsi revêtues, qu’il s’agisse de la périphérie d’un conduit sans obstacle ou de séparateurs - e.g. baffles - ) occasionne une diminution de la puissance acoustique proportionnelle (en première approximation) à la longueur du revêtement absorbant les sons

• un Dispositif de Réduction Catalytique Sélective RCS - convertisseur catalytique

  Il s’agit d’un matériel rendant possibles des réactions chimiques impliquant des composés azotés (e.g. l'urée CO(NH₂)₂ en solution aqueuse), en utilisant des cassettes en alliage précieux (e.g. tungstène W ou vanadium V sur un support à base d'oxyde de Titane TiO₂), et dont le résultat est l’obtention de composés aussi inoffensifs que de l’azote (N₂) et de l’eau (H₂O) à la place des gaz indésirables que sont les NO_x. Un tel procédé s’accompagne d’une atténuation du bruit aux fréquences aigues, complétant la performance d’un silencieux.

La limitation combinée du bruit et des émissions polluantes des générateurs thermiques à l’échappement sera basée sur le montage en série de ces matériels, pour constituer un tout.

Les sous-ensembles mentionnés plus haut, à haute performance, permettront l’obtention d’un système (se présentant sous la forme d’un ensemble sur châssis, manipulable avec une grue, prêt pour un branchement et une utilisation quasi-immédiate - selon le concept plug & play -) multifonctionnel. Dans le présent contexte, la conception devra prendre en compte les différentes contraintes techniques inhérentes au projet, parmi lesquelles de sévères limitations d’encombrement et d’accès s’ajouteront aux impératifs (ordinaires, mais requérant toujours des dimensionnements complexes) d’une perte de pression totale compatible avec un fonctionnement optimal des moteurs thermiques.

Pour ce concerne la limitation du bruit et des émissions polluantes des générateurs thermiques à l’échappement, les indicateurs de performance suivants sont garantis (pour ne pas exposer à des nuisances le voisinage et aussi l’environnement plus proche des moteurs industriels de forte puissance):

• un niveau de pression acoustique à 1 m au plus égal à 85 dB(A)
• des émissions de NOx au plus égales à 0.5 mg/Nm3

Les matières premières (e.g. pour la fabrication des silencieux d’échappement des gaz brûlés, du châssis mécano-soudé) seront de premier choix (la plupart: en acier inoxydable), et les soudures seront réalisées par un personnel hautement qualifié, utilisant des technologies de constructions éprouvées ; la qualité des autres composants - e.g. module de Réduction Catalytique Sélective (SCR) avec alimentation continue en urée, et dosage géré au moyen d'un automate et de capteurs - fera l’objet d’une sélection rigoureuse, cependant que l’assemblage et le contrôle qualité seront minutieux, de manière à livrer, dans le délai imparti, des matériels dont la robustesse et la durabilité seront, en plus de l’efficacité, un des points forts (dans un contexte d’installation à l’extérieur).

Ce projet de limitation du bruit et des émissions polluantes de générateurs thermiques de forte puissance sera une fois de plus l’occasion, pour ITS et ses partenaires commerciaux, d’implémenter des solutions performantes, basées sur des technologies de pointe e.g. dans les domaines de l’acoustique et de la mécanique des fluides, pour la préservation de l’environnement.

^[0] acronyme anglais pour Medium Combustion Plant

^[1] Cela s'applique notamment:

• aux moteurs: à gaz, diesel ou à double combustible, définis (dans la directive) comme suit:
  • «moteur à gaz»: moteur à combustion interne fonctionnant selon le cycle Otto et utilisant l'allumage par étincelle pour brûler le combustible
  • «moteur diesel»: moteur à combustion interne fonctionnant selon le cycle diesel et utilisant l'allumage par compression pour brûler le combustible
  • «moteur à double combustible»: moteur à combustion interne utilisant l'allumage par compression et fonctionnant selon le cycle diesel pour brûler des combustibles liquides et selon le cycle Otto pour brûler des combustibles gazeux
• aux turbines à gaz (à combustion) définies (dans la directive) comme suit:
  • tout appareil rotatif qui convertit de l'énergie thermique en travail mécanique et consiste principalement en un compresseur, un dispositif thermique permettant d'oxyder le combustible de manière à chauffer le fluide de travail et une turbine; sont comprises dans cette définition les turbines à gaz à circuit ouvert et les turbines à gaz à cycle combiné, ainsi que les turbines à gaz en mode de cogénération, équipées ou non d'un brûleur supplémentaire dans chaque cas

^[2] Sont concernées: les installations nouvelles d'une puissance supérieure à 1 Mégawatt (MW) à partir du 20 décembre 2018, les installations existantes de puissance supérieure à 5 MW à partir du 1er janvier 2025 et les installations existantes de puissance comprise entre 1 et 5 MW à compter du 1er janvier 2030

^[3] 250 mg/Nm3 à 1850 mg/Nm3 selon la combinaison considérée de variables qui sont le type de moteur (et son combustible), sa puissance thermique, sa date de construction

^[4] 150 mg/Nm3 si le combustible est du gaz naturel

^[5] 225 mg/Nm3 à 1850 mg/Nm3 selon la combinaison considérée de variables qui sont le type de moteur (et son combustible), sa puissance thermique, son nombre d'heures d'utilisation

^[6] 50 mg/Nm3 si le combustible est du gaz naturel, 550 mg/Nm3 (jusqu'au 1er Janvier 2025) pour des installations qui font partie de petits réseaux ou de microréseaux isolés au sens de l'article 2 de la directive 2009/72/CE du Parlement européen et du Conseil

^[7] les valeurs limites d'émission sont valables pour une température de 273,15 K, une pression de 101,3 kPa et après correction en fonction de la teneur en vapeur d'eau des gaz résiduaires, et pour une teneur normalisée en O₂ (15 % dans le cas de moteurs et turbines à gaz)