Surveillance des émissions des navires en mer du Nord à l'aide de spectromètres UV-Vis et IR

2023-2024
Le projet SEMPAS combine deux instruments : un spectromètre UV-Visible et un spectromètre infrarouge, permettant de mesurer, par télédétection, les émissions des navires à distance. Ces émissions ont des effets néfastes sur la santé humaine, la qualité de l’air et le climat dans les zones côtières. L’objectif de SEMPAS est de quantifier et de surveiller ces émissions dans la mer du Nord belge.

Un défi de taille : l'environnement marin est exigeant et les navires sont souvent éloignés des capteurs. La composante UV-Vis a été testée pour la première fois à Zeebrugge et sera transférée sur une plate-forme éolienne offshore en 2025. La composante infrarouge est en cours de développement à l’IASB.

Les émissions des navires contribuent largement à la pollution due aux transports mondiaux, principalement par les NOxet les SOx. Les réglementations en matière d'émissions sont établies près des zones côtières telles que la mer du Nord.

Le respect de ces réglementations par les navires n'est pas suffisamment contrôlé. L'instrument de surveillance des émissions des navires par spectroscopie d'absorption passive (SEMPAS) vise à assurer une surveillance permanente des navires individuels passant devant une plate-forme offshore située à 50 km dans la mer du Nord, où l'instrument sera installé en 2025. SEMPAS combine un spectromètre d'absorption optique différentielle UV-visible (DOAS) et un spectromètre infrarouge thermique Bruker EM-27. 

Composant UV-Vis

Contrairement aux systèmes DOAS conventionnels qui effectuent des mesures ponctuelles, l'instrument UV-Visible SEMPAS prend une image du ciel ou du panache du navire. Chaque pixel de l'image contient un spectre à partir duquel des bandes d'absorption de SO2 et de NO2 peuvent être détectées dans l'UV, ce qui permet d'estimer les concentrations totales de SOx et de NOx dans le panache de navires.

L'instrument est équipé d'une caméra couplée à un logiciel de reconnaissance d'images pour identifier et suivre activement les navires individuels. Lorsqu'aucun navire ne se trouve à proximité, l'instrument est utilisé pour mesurer le niveau de pollution de fond et pour contribuer à la validation des mesures satellitaires de NO2 dans un environnement marin.

Cette combinaison de technologies de télédétection, d'imagerie et de suivi des navires, offre une grande sensibilité pour le NO2et le SO2. Sur la base des propriétés d'imagerie, les concentrations à l'intérieur du panache et l'arrière-plan à côté peuvent être identifiés et utilisés pour déterminer si les navires respectent les réglementations en matière d'émissions. Ces mesures permettront également de calculer les émissions et d'alimenter la base de données maritime européenne THETIS qui sert de système d'alerte précoce pour les pays voisins.
 

Composante infrarouge

La composante infrarouge (IR) est en cours de développement à l’IASB. Elle comprend un spectromètre IR thermique commercial équipé d'un télescope permettant de cibler les navires de passage à plusieurs kilomètres de distance. L'instrument mesure le rayonnement IR thermique émis par les panaches d'échappement chauds des navires. Les empreintes spectrales du SO2 et du CO2 dans ce spectre d'émission thermique nous permettent de déterminer les concentrations relatives de ces deux espèces.

Le rapport est utilisé pour calculer la teneur en soufre du carburant utilisé par le navire ciblé. Une fois que l'instrument IR aura été testé à terre à Zeebrugge, il sera installé sur la plate-forme à côté du système UV-vis. À partir de ce moment, les deux instruments synchroniseront leur fonctionnement pour cibler simultanément le même navire et déterminer ses émissions de NOx et de SOx ainsi que la teneur en soufre du carburant.

Conceptions techniques

Communiqué de presse:

 

Manœuvres du navire au départ du port de Saint-Louis-du-Rhône
Navire manœuvrant au large du port Saint-Louis-du-Rhodan, près de Marseille. Crédits : Roberto Venturini, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons.
Instrument SEMPAS sur un terrain proche de la frontière maritime.
La composante UV-Vis de SEMPAS installée dans le port de Zeebrugge. Entre les brise-lames, il observe les navires qui passent pour entrer dans le port d'Anvers.
Série chronologique des concentrations de NO2 et SO2 mesurées par l'instrument UV-Vis
Exemple de résultat d'une série temporelle de NO2 et de SO2 provenant d'une campagne de test avec l'instrument UV-Vis. Le pic local d'émissions correspond au passage d'un navire, qui peut être identifié par la caméra.