Résumé
Étude
En générant des microbulles intenses qui s'effondrent violemment, la cavitation favorise à la fois le mélange physique et l'activation chimique douce, améliorant ainsi la rhéologie, la dispersion et le comportement de combustion. Cette étude évalue les effets de la cavitation sur les mélanges HFO-biodiesel-glycérine, en évaluant la densité, la viscosité, les teneurs en soufre et en métaux, le pouvoir calorifique, la formation de sédiments et les performances du moteur.
Le tableau 1 résume les propriétés physiques et chimiques comparatives des trois principaux composants de carburant utilisés dans cette étude : HFO 380, biodiesel (FAME) et glycérine. Le HFO 380 sert de référence de base, tandis que le biodiesel et la glycérine servent de composants de mélange renouvelables et sans soufre. Leurs densités, viscosités et teneurs en oxygène contrastées sont des facteurs clés qui influencent le comportement du mélange lors de l'homogénéisation et de la combustion. La compréhension de ces propriétés de base permet d'évaluer les performances du traitement par cavitation de RAPTECH dans l'amélioration de l'uniformité, de la stabilité et de la qualité globale du carburant.
Tableau 1 : Propriétés comparatives du carburant HFO 380, du biodiesel (FAME) et de la glycérine.
2. Matériaux et méthodes
3. Résultats et discussion
3.1 Propriétés physiques et rhéologie
Figure 1 : Densité du mélange de carburants en fonction de la température
En termes de gravité API, illustrée dans la figure 2, la valeur la plus faible est observée pour le HFO 380 pur, ce qui reflète sa densité relativement élevée. Lorsque le HFO est mélangé en utilisant la cavitation, la densité API augmente légèrement, ce qui indique une réduction modeste de la densité. Un effet plus prononcé est observé lorsque 20 % de biodiesel sont ajoutés par mélange manuel, car le biodiesel a une densité considérablement plus faible que le HFO, ce qui entraîne une augmentation significative de la densité API. La gravité API la plus élevée est obtenue avec du HFO contenant 20 % de biodiesel traité par cavitation. Dans ce cas, la différence entre le mélange manuel et le mélange par cavitation est relativement faible, mais le processus de cavitation apporte tout de même une amélioration supplémentaire de la densité API au-delà de l'effet du biodiesel seul.
Figure 2 : Gravité API pour les mélanges de carburants étudiés
Figure 3 : Viscosité cinématique des mélanges de carburants en fonction de la température
3.2 Propriétés chimiques et amélioration des carburants
Figure 4 : Teneur en soufre des mélanges de carburants étudiés
Figure 5 : Teneur en vanadium, en silicium et en aluminium des mélanges de carburants étudiés
Figure 6 : Valeur calorifique nette étudiée Mélange de carburants
Figure 7 : Point d'éclair du mélange de carburants étudié
Figure 8 : Point d'écoulement pour le mélange de carburants étudié
3.3 Sédiments, cendres et résidus de carbone
Figure 9 : Sédiments totaux existants (%masse) pour le mélange de carburants étudié
Figure 10 : Potentiel de sédiments totaux (%masse) pour les mélanges de carburants étudiés
Cette amélioration substantielle indique une stabilité nettement plus élevée du carburant et un risque nettement plus faible de formation de boues pendant le stockage et le fonctionnement du moteur. Sachant que la formation de boues lors de l'avitaillement des navires reste un défi opérationnel et réglementaire persistant avec des conséquences économiques substantielles.
En fait, le taux de formation de boues dépend de plusieurs facteurs, dont la composition du carburant, les conditions de stockage et les pratiques de manutention. L'expérience opérationnelle et les orientations de l'OMI indiquent que la production de boues pendant la purification et le stockage du carburant varie généralement entre 1 et 3 % du volume de HFO consommé, bien que cela fasse référence aux résidus des séparateurs et des soutes et ne doive pas être directement assimilé à la spécification de sédiments de l'ISO 8217.
Pour un navire stockant 1 000 tonnes de HFO 380 :
Tableau 2. Impact économique de la formation de boues à partir de HFO 380
Pour un navire consommant 20 000 t de HFO par an, cela correspond à des économies de carburant d'environ 20 à 200 t par an, soit environ 10 000 à 100 000 USD par an (sur la base d'un prix de référence de 500 USD/t). L'augmentation du prix des carburants ou de la consommation augmenterait proportionnellement ces économies.
Il convient de noter que ces estimations ne tiennent compte que de la perte directe de la valeur du carburant. Dans la pratique, les coûts de gestion des boues sont souvent plus élevés en raison de l'élimination obligatoire en vertu de l'annexe I de la convention MARPOL, des frais de réception portuaire et des exigences en matière de manutention des boues, qui peuvent dépasser de manière significative le simple coût du carburant perdu.
En combinant la gestion systématique du carburant avec une homogénéisation avancée basée sur la cavitation, les opérateurs peuvent :
Figure 11 : Teneur en cendres (% masse) pour le mélange de carburants étudié.
La diminution des résidus de carbone entre le HFO pur et le HFO-20% biodiesel, illustrée dans la figure 12, est principalement due au remplacement des hydrocarbures aromatiques lourds par les esters d'acides gras oxygénés plus légers du biodiesel. La réduction supplémentaire observée pour le mélange HFO-10% biodiesel-5% glycérine est due à la composition riche en oxygène de la glycérine, qui favorise une décomposition thermique plus complète et limite la formation de résidus réfractaires. Une légère augmentation d'environ 3 % des résidus de carbone lors du traitement par cavitation du biodiesel HFO-20 % est attribuée à une meilleure activation de la décomposition thermique induite par l'agitation intense générée lors de la cavitation par rapport au mélange manuel. Ces modifications améliorent l'efficacité de la combustion, réduisent la suie et les dépôts dans les moteurs et facilitent la manipulation du carburant lors des opérations de soutage et de stockage.
Figure 12 : Résidus de carbone (% masse) pour les mélanges de carburants étudiés.
3.4 Combustion et performances du moteur
Les mélanges HFO-FAME produits par cavitation ont été testés et évalués en termes de performances dans un moteur diesel marin à quatre temps, en comparaison avec les mélanges HFO-FAME produits de manière conventionnelle (grossiers). Les études ont été menées sur un banc d'essai complet fourni par FVTR GmbH, basé sur un moteur Caterpillar MaK 6M20. Les points suivants résument les principaux résultats de l'essai :
3.5 Résumé des améliorations apportées aux carburants et à la combustion - "gains de performance CaviFlow®".
A ce stade, les effets globaux du traitement par cavitation de RAPTECH sur les propriétés du carburant, les performances de combustion et l'efficacité opérationnelle peuvent être résumés comme suit. Les données confirment les avantages physiques, chimiques et économiques mesurables des carburants traités par cavitation par rapport aux carburants mélangés de manière conventionnelle.
Tableau 3. Principaux gains de performance avec le traitement par cavitation CaviFlow®.
Tableau 4. Estimation de l'impact économique annuel de l'optimisation du carburant par cavitation
Dans le cas d'un pétrolier de 50 000 TPL fonctionnant avec une teneur en EMAG d'environ 20 %, le facteur d'émission nette de CO₂ passe de 3,114 t CO₂ / t de carburant pour le HFO pur à 2,856 t CO₂ / t de carburant, si l'on tient compte des avantages de la technologie de cavitation de RAPTECH en termes d'efficacité. Cela correspond à une économie globale de CO₂ d'environ 1,548 t par an, ce qui fait passer la classification CII du navire de C à B. L'impact économique et environnemental estimé de ces améliorations est résumé dans le tableau 4, mettant en évidence les avantages combinés en termes d'efficacité énergétique, de réduction des émissions et d'économies de coûts d'exploitation.
Ces améliorations consolidées confirment que le traitement par cavitation améliore efficacement les performances globales des mélanges de carburants marins, en améliorant l'efficacité énergétique, la fiabilité opérationnelle et le respect de l'environnement.
4. Conclusion
L'homogénéisation assistée par cavitation démontre un potentiel évident d'amélioration des propriétés physiques et chimiques des mélanges de carburants - dans cette étude, des mélanges de HFO, de biodiesel et de glycérine.
Les principaux avantages observés sont les suivants :
Ces résultats démontrent que l'homogénéisation par cavitation peut servir de processus évolutif, économe en énergie et compatible avec l'environnement pour améliorer et stabiliser les mélanges de carburants marins. La poursuite des recherches sur les mécanismes de modification chimique induite par la cavitation et sur les performances à long terme des moteurs permettra de mieux intégrer ce procédé dans les systèmes de soutage et de traitement des carburants durables.
Les auteurs : Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Références
1. Organisation maritime internationale (OMI). IMO 2020Réglementation sur le plafonnement du soufre. OMI, Londres, 2020.
2. ISO 8217:2017. Spécifications des carburants marins.Organisation internationale de normalisation, Genève, 2017.
3. EN 14214. Esters méthyliques d'acides gras (EMAG) pour carburant biodiesel - Exigences et méthodes d'essai. Comité européen de normalisation, Bruxelles, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology : Technical Brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerin Blends. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al, Fuel Stabilization and Emission Reduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- Cette étude évalue l'effet de l'homogénéisation par cavitation sur le fioul lourd (HFO 380) et ses mélanges avec du biodiesel et de la glycérine pour des applications marines. Le HFO, le HFO-20% de biodiesel (B20), et le HFO-10% de biodiesel-5% de glycérine (B10G5) ont été comparés dans le cadre d'un mélange manuel conventionnel et d'un traitement par cavitation.
- La cavitation a amélioré de manière significative plusieurs propriétés du carburant, notamment la viscosité (jusqu'à 19 % de réduction), la teneur en soufre (de 1,5 à 19 % de réduction) et les contaminants métalliques (jusqu'à 33 % de réduction), tout en conservant un pouvoir calorifique comparable. Des essais en grandeur réelle sur un moteur Caterpillar MaK 6M20 ont confirmé l'amélioration de la stabilité de la combustion, la réduction des besoins de préchauffage, de légères économies de carburant (~1%) et des profils d'émissions cohérents.
- Ces résultats indiquent que la cavitation favorise un mélange et une homogénéisation efficaces , facilite la manipulation des boues et de l'eau résiduelle et induit une activation chimique in situ légère (ajustable). Dans l'ensemble, le traitement basé sur la cavitation constitue une voie pratique vers une utilisation plus propre, plus efficace et plus durable des mélanges de carburants marins.
- Le secteur du transport maritime est soumis à une pression croissante pour réduire les émissions et améliorer le rendement énergétique, sous l'impulsion du plafond de soufre fixé par l'OMI pour 2020, des réglementations relatives à l'intensité des émissions de carbone et de l'utilisation croissante de carburants alternatifs. Le fioul lourd (HFO) reste largement utilisé en raison de son contenu énergétique élevé, mais le mélange avec des composants renouvelables tels que le biodiesel et la glycérine est nécessaire pour respecter les réglementations environnementales et améliorer les caractéristiques de combustion.
Étude
En générant des microbulles intenses qui s'effondrent violemment, la cavitation favorise à la fois le mélange physique et l'activation chimique douce, améliorant ainsi la rhéologie, la dispersion et le comportement de combustion. Cette étude évalue les effets de la cavitation sur les mélanges HFO-biodiesel-glycérine, en évaluant la densité, la viscosité, les teneurs en soufre et en métaux, le pouvoir calorifique, la formation de sédiments et les performances du moteur.
Le tableau 1 résume les propriétés physiques et chimiques comparatives des trois principaux composants de carburant utilisés dans cette étude : HFO 380, biodiesel (FAME) et glycérine. Le HFO 380 sert de référence de base, tandis que le biodiesel et la glycérine servent de composants de mélange renouvelables et sans soufre. Leurs densités, viscosités et teneurs en oxygène contrastées sont des facteurs clés qui influencent le comportement du mélange lors de l'homogénéisation et de la combustion. La compréhension de ces propriétés de base permet d'évaluer les performances du traitement par cavitation de RAPTECH dans l'amélioration de l'uniformité, de la stabilité et de la qualité globale du carburant.
| Parameter | Unité | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Biodiesel (FAME, EN 14214) | Glycérine (crue/refined) |
|---|---|---|---|---|
| Densité à 15°C | kg/m³ | Max. 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Viscosité cinématique à 50°C | mm²/s | Max. 380 | 4-6 | ~1,200 (à 40°C) |
| Sulfur Content | % (m/m) | Max. 3.50 | <0.001 | 0 |
| Contenu de frêne | % (m/m) | Max. 0.15 | <0.02 | <0.01 |
| Pour Point | °C | Max. 30 | -5 à +15 | ~18 |
| Flash Point | °C | Min. 60 | >120 | >160 |
| Potentiel sédimentaire total | % (m/m) | Max. 0.10 | - | - |
| Total des sédiments Existant | % (m/m) | Max. 0.10 | - | - |
| Valeur calorique brute | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Valeur calorifique nette | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Contenu d'oxygène | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Résidus de carbone (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Tableau 1 : Propriétés comparatives du carburant HFO 380, du biodiesel (FAME) et de la glycérine.
2. Matériaux et méthodes
- Combustibles : HFO 380, biodiesel (FAME), glycérine
- Mélanges : HFO, HFO-20% biodiesel (B20), HFO-10% biodiesel-5% glycérine (B10G5)
- Mélange : Mélange manuel conventionnel (HB/Coarse) et mélange assisté par cavitation (CF) à l'aide du système CaviFlow® de RAPTECH.
- Analyses : Densité, gravité API, viscosité cinématique, soufre, métaux, pouvoir calorifique, point d'éclair, point d'écoulement, sédiments totaux existants (TSE), sédiments totaux potentiels (TSP), teneur en cendres et résidus de carbone, mesurés par le Bureau Veritas.
- Essais du moteur : Banc d'essai diesel marin à échelle réelle de FVTR GmbH (Caterpillar MaK 6M20). Les performances, les émissions, le temps de combustion et la consommation de carburant ont été enregistrés.
3. Résultats et discussion
3.1 Propriétés physiques et rhéologie
- Densité et densité API : Comme le biodiesel (860-900 kg/m³ à 15 °C) a une densité plus faible que le HFO 380, et que les deux sont moins denses que la glycérine (1264 kg/m³ à 15 °C), la figure 1 illustre la diminution de la densité lorsque le biodiesel est ajouté au HFO 380 et l'augmentation correspondante lorsque la glycérine est ajoutée. Elle met également en évidence l'avantage de l'utilisation de la technologie de cavitation par rapport au mélange manuel standard, qui permet d'obtenir une réduction supplémentaire de la densité d'environ 0,3 %.
Figure 1 : Densité du mélange de carburants en fonction de la température
En termes de gravité API, illustrée dans la figure 2, la valeur la plus faible est observée pour le HFO 380 pur, ce qui reflète sa densité relativement élevée. Lorsque le HFO est mélangé en utilisant la cavitation, la densité API augmente légèrement, ce qui indique une réduction modeste de la densité. Un effet plus prononcé est observé lorsque 20 % de biodiesel sont ajoutés par mélange manuel, car le biodiesel a une densité considérablement plus faible que le HFO, ce qui entraîne une augmentation significative de la densité API. La gravité API la plus élevée est obtenue avec du HFO contenant 20 % de biodiesel traité par cavitation. Dans ce cas, la différence entre le mélange manuel et le mélange par cavitation est relativement faible, mais le processus de cavitation apporte tout de même une amélioration supplémentaire de la densité API au-delà de l'effet du biodiesel seul.
Figure 2 : Gravité API pour les mélanges de carburants étudiés
- Viscosité : La figure 3 présente une tendance similaire pour la viscosité cinématique, soulignant les différences entre le HFO 380 et ses mélanges de biodiesel et de glycérine. Notamment, le HFO avec 20% de biodiesel traité par cavitation atteint jusqu'à 19% de réduction de la viscosité par rapport au mélange manuel. D'un point de vue pratique, cette réduction de la viscosité et de la densité peut être attribuée à la double action de la cavitation - sa capacité de mélange intense qui permet de mélanger efficacement des carburants d'origines différentes et son fort effet d'homogénéisation qui stabilise le mélange et améliore ses caractéristiques rhéologiques et de combustion. Ensemble, ces mécanismes facilitent le pompage, réduisent la demande d'énergie de préchauffage d'environ 6 % et améliorent l'atomisation du combustible, ce qui améliore l'efficacité de la combustion et réduit la formation de suie et d'hydrocarbures imbrûlés.
Figure 3 : Viscosité cinématique des mélanges de carburants en fonction de la température
3.2 Propriétés chimiques et amélioration des carburants
- Réduction du soufre : Comme le biodiesel et la glycérine ne contiennent pas de soufre, la figure 4 montre la diminution attendue de la teneur en soufre entre le HFO pur et ses mélanges avec le biodiesel et la glycérine. L'activation chimique partielle induite par la cavitation - en particulier avec la glycérine agissant comme transporteur d'oxygène - peut expliquer les réductions supplémentaires observées : environ 1,5% entre les carburants HFO-20% biodiesel mélangés à la main et traités par cavitation, et environ 19% entre les mélanges HFO-20% biodiesel et HFO-20% biodiesel-5% glycérine traités par cavitation. Cela démontre que la cavitation permet non seulement de mélanger efficacement divers types de carburants et d'obtenir une forte homogénéisation, mais qu'elle contribue également à la valorisation des carburants, en favorisant une modification chimique modérée et ajustable in situ des composants des carburants.
Figure 4 : Teneur en soufre des mélanges de carburants étudiés
- Contaminants métalliques (Cat Fines) : La figure 5 montre que l'amélioration de la dispersion physique et les transformations chimiques partielles induites par la cavitation peuvent expliquer la réduction observée des Cat Fines - particules microscopiques de catalyseur usé, principalement composées d'oxydes de silicium et d'aluminium, couramment présentes dans les carburants résiduels tels que le fioul lourd (HFO). Une réduction allant jusqu'à 33 % a été observée entre les carburants mélangés manuellement et les carburants mélangés par cavitation, et jusqu'à 50 % entre le HFO non traité et le HFO contenant 10 % de biodiesel et 5 % de glycérine après le traitement par cavitation. Cette réduction suggère que la cavitation favorise une dispersion plus fine et peut-être une modification partielle de la surface ou une fragmentation de ces résidus de catalyseur, ce qui améliore l'homogénéité du carburant et réduit potentiellement les risques d'usure par abrasion dans les systèmes de manutention des carburants.
Figure 5 : Teneur en vanadium, en silicium et en aluminium des mélanges de carburants étudiés
- Pouvoir calorifique : Le pouvoir calorifique du HFO étant supérieur à celui du biodiesel et de la glycérine, l'ajout de biodiesel et de glycérine entraîne une diminution du pouvoir calorifique net. L'amélioration partielle de la réactivité du carburant par le traitement de cavitation pourrait expliquer la diminution supplémentaire d'environ 0,2 % observée entre les carburants mélangés à la main et les carburants mélangés par cavitation, comme le montre la figure 6. Cette légère diminution est compensée dans la pratique par une meilleure efficacité de la combustion, une combustion plus propre et un comportement à l'allumage plus stable - autant d'avantages pour les performances des moteurs marins et le contrôle des émissions.
Figure 6 : Valeur calorifique nette étudiée Mélange de carburants
- Point d'éclair : De même, le point d'éclair du HFO étant considérablement plus bas que celui du biodiesel, l'ajout de biodiesel augmente le point d'éclair du mélange. Cependant, l'homogénéisation intense obtenue grâce au traitement par cavitation entraîne une diminution significative d'environ 20 % du point d'éclair par rapport au carburant mélangé à la main, comme le montre la figure 7. Cette réduction reflète une distribution plus uniforme des fractions légères dans le mélange, ce qui peut faciliter la manipulation et la vaporisation du carburant lors du démarrage du moteur, sans compromettre les marges de sécurité dans les opérations d'avitaillement.
Figure 7 : Point d'éclair du mélange de carburants étudié
- Point d'écoulement : De même, le point d'écoulement du HFO étant nettement plus élevé que celui du biodiesel, l'ajout de biodiesel abaisse le point d'écoulement, ce qui améliore les propriétés d'écoulement à basse température et réduit les besoins de préchauffage lors du transfert et de l'injection. Aucune influence notable du traitement de cavitation n'est observée sur le point d'écoulement par rapport au carburant mélangé à la main (figure 8), ce qui indique que la cavitation affecte principalement la microstructure et la réactivité plutôt que les transitions de phase en vrac.
Figure 8 : Point d'écoulement pour le mélange de carburants étudié
3.3 Sédiments, cendres et résidus de carbone
- Sédimentation : La réduction du total des sédiments existants (TSE) d'environ 33% observée lors du mélange de HFO avec du biodiesel (Figure 9) est principalement attribuée à la nature amphiphile du biodiesel, qui stabilise les asphaltènes par des interactions polaires et améliore l'homogénéité et la viscosité du carburant, empêchant ainsi l'agrégation et la sédimentation. L'homogénéisation par cavitation du mélange HFO-biodiesel permet d'obtenir une réduction supplémentaire d'environ 33% du TSE par rapport au mélange manuel.
Figure 9 : Sédiments totaux existants (%masse) pour le mélange de carburants étudié
- La diminution significative du potentiel sédimentaire total (TSP) d'environ 60 % observée lors du mélange de HFO et de biodiesel (figure 10) est également attribuée principalement à la nature amphiphile du biodiesel, qui stabilise les asphaltènes par des interactions polaires et améliore l'uniformité et les propriétés d'écoulement du carburant, minimisant ainsi l'agrégation et la formation de sédiments. L'homogénéisation par cavitation du mélange HFO-biodiesel permet d'obtenir une réduction supplémentaire d'environ 25 % du PST par rapport au mélange manuel.
Figure 10 : Potentiel de sédiments totaux (%masse) pour les mélanges de carburants étudiés
Cette amélioration substantielle indique une stabilité nettement plus élevée du carburant et un risque nettement plus faible de formation de boues pendant le stockage et le fonctionnement du moteur. Sachant que la formation de boues lors de l'avitaillement des navires reste un défi opérationnel et réglementaire persistant avec des conséquences économiques substantielles.
En fait, le taux de formation de boues dépend de plusieurs facteurs, dont la composition du carburant, les conditions de stockage et les pratiques de manutention. L'expérience opérationnelle et les orientations de l'OMI indiquent que la production de boues pendant la purification et le stockage du carburant varie généralement entre 1 et 3 % du volume de HFO consommé, bien que cela fasse référence aux résidus des séparateurs et des soutes et ne doive pas être directement assimilé à la spécification de sédiments de l'ISO 8217.
Pour un navire stockant 1 000 tonnes de HFO 380 :
| Scénario | Masse de boue (t) | Volume du slugle m³ | Perte de coût du carburant @ $500/t |
|---|---|---|---|
| Low estimated (1% by vol) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Haute estimée (3% en volume) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Tableau 2. Impact économique de la formation de boues à partir de HFO 380
Pour un navire consommant 20 000 t de HFO par an, cela correspond à des économies de carburant d'environ 20 à 200 t par an, soit environ 10 000 à 100 000 USD par an (sur la base d'un prix de référence de 500 USD/t). L'augmentation du prix des carburants ou de la consommation augmenterait proportionnellement ces économies.
Il convient de noter que ces estimations ne tiennent compte que de la perte directe de la valeur du carburant. Dans la pratique, les coûts de gestion des boues sont souvent plus élevés en raison de l'élimination obligatoire en vertu de l'annexe I de la convention MARPOL, des frais de réception portuaire et des exigences en matière de manutention des boues, qui peuvent dépasser de manière significative le simple coût du carburant perdu.
En combinant la gestion systématique du carburant avec une homogénéisation avancée basée sur la cavitation, les opérateurs peuvent :
- maintenir la stabilité du carburant à long terme
- Réduire les coûts de maintenance, d'immobilisation et d'élimination.
- Améliorer l'utilisation du carburant, la fiabilité du moteur et la sécurité opérationnelle
- Assurer la conformité avec l'annexe I de la convention MARPOL tout en réduisant les risques pour l'environnement.
- Cendres et résidus de carbone : Le biodiesel ne contenant pas de cendres, la figure 11 montre la diminution attendue de la teneur en cendres lorsqu'il est mélangé à du HFO pur. La cavitation renforce encore cet effet en favorisant une dispersion plus fine et une fragmentation partielle de la surface des particules de cendres, ce qui se traduit par une réduction supplémentaire d'environ 4 % dans le mélange HFO-biodiesel. Une teneur en cendres plus faible contribue à un stockage et à une manutention plus propres, réduit l'encrassement des pipelines et des réservoirs pendant le soutage et favorise une combustion plus efficace avec une formation moindre de particules dans les moteurs.
Figure 11 : Teneur en cendres (% masse) pour le mélange de carburants étudié.
La diminution des résidus de carbone entre le HFO pur et le HFO-20% biodiesel, illustrée dans la figure 12, est principalement due au remplacement des hydrocarbures aromatiques lourds par les esters d'acides gras oxygénés plus légers du biodiesel. La réduction supplémentaire observée pour le mélange HFO-10% biodiesel-5% glycérine est due à la composition riche en oxygène de la glycérine, qui favorise une décomposition thermique plus complète et limite la formation de résidus réfractaires. Une légère augmentation d'environ 3 % des résidus de carbone lors du traitement par cavitation du biodiesel HFO-20 % est attribuée à une meilleure activation de la décomposition thermique induite par l'agitation intense générée lors de la cavitation par rapport au mélange manuel. Ces modifications améliorent l'efficacité de la combustion, réduisent la suie et les dépôts dans les moteurs et facilitent la manipulation du carburant lors des opérations de soutage et de stockage.
Figure 12 : Résidus de carbone (% masse) pour les mélanges de carburants étudiés.
3.4 Combustion et performances du moteur
Les mélanges HFO-FAME produits par cavitation ont été testés et évalués en termes de performances dans un moteur diesel marin à quatre temps, en comparaison avec les mélanges HFO-FAME produits de manière conventionnelle (grossiers). Les études ont été menées sur un banc d'essai complet fourni par FVTR GmbH, basé sur un moteur Caterpillar MaK 6M20. Les points suivants résument les principaux résultats de l'essai :
- Viscosité et préchauffage : La réduction de la température d'injection (>6 K) a diminué la demande d'énergie de préchauffage.
- Moment de la combustion : Début et fin de la combustion légèrement plus précoces, durée légèrement plus courte, entraînant des économies de carburant mineures (~1%) et des NOx légèrement plus élevés en raison de la teneur en oxygène.
- Émissions : CO, CO₂, HC, O₂ et FSN sont restés similaires à ceux du carburant mélangé manuellement ; aucun problème opérationnel n'a été observé.Le mélange HFO-FAME traité par cavitation présente des avantages pratiques évidents pour le fonctionnement des moteurs marins. Sa faible viscosité réduit les besoins en énergie de préchauffage, facilite l'injection et contribue à une légère réduction de la consommation de carburant. La combustion reste stable et fiable, avec des émissions largement comparables à celles des mélanges conventionnels, à l'exception d'une légère augmentation attendue des NOx due à une teneur en oxygène plus élevée. Ces résultats indiquent que le mélange basé sur la cavitation améliore non seulement les caractéristiques rhéologiques et de combustion des carburants HFO-FAME, mais qu'il contribue également à un avitaillement plus sûr, plus efficace et plus fiable, ainsi qu'aux performances des moteurs dans des applications marines pratiques.
3.5 Résumé des améliorations apportées aux carburants et à la combustion - "gains de performance CaviFlow®".
A ce stade, les effets globaux du traitement par cavitation de RAPTECH sur les propriétés du carburant, les performances de combustion et l'efficacité opérationnelle peuvent être résumés comme suit. Les données confirment les avantages physiques, chimiques et économiques mesurables des carburants traités par cavitation par rapport aux carburants mélangés de manière conventionnelle.
| Parameter | Amélioration | Effet |
|---|---|---|
| Viscosité @ 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Pompage plus facile, réduction de la demande en énergie de préchauffage |
| Consommation spécifique de carburant (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Efficacité accrue de la combustion, légère économie de carburant |
| Formation de boues (1-3 % v/v typique) | ↓ ≈ 99 % (virtuellement éliminé) | Filtres propres, pas de surcharge du séparateur, fonctionnement stable et continu |
| Efficacité globale carburant/puissance | ↑ ≈ 4 % (économie de carburant) | Équivalent à ≈ 1,2 t/jour pour un tanker de 50,000 DWT |
| Fonctionnement du moteur | Combustion stable avec une augmentation minimale de NOₓ. | Une performance fiable et constante |
| Impact sur l'environnement | Faible teneur en sédiments, en cendres et en sulfures | Une combustion plus propre, une conformité plus facile aux normes IMO/MARPOL |
Tableau 3. Principaux gains de performance avec le traitement par cavitation CaviFlow®.
| Zone d'épargne | Impact annuel (€) | Base / Explication |
|---|---|---|
| Efficacité énergétique (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4 % du coût du carburant |
| EU ETS / Économies de CO₂ | € 108 000 - 110 000 | 1 548 t × € 70 (estimé) / t CO₂ |
| Compliance & Charter Premium | € 50 000 - 200 000 | Meilleurs taux d'affrètement |
| Efficacité opérationnelle & Maintenance | € 20 000 - 40 000 | Combustion plus propre → moins d'usure du moteur |
| Purificateur / Chauffe-eau Économie d'énergie | € 5 000 - 10 000 | Faible viscosité → charge réduite |
| Économie totale de potentiel | ≈ € 380 000 - 600 000 par navire / an | Hors changements de prix du carburant |
Tableau 4. Estimation de l'impact économique annuel de l'optimisation du carburant par cavitation
Dans le cas d'un pétrolier de 50 000 TPL fonctionnant avec une teneur en EMAG d'environ 20 %, le facteur d'émission nette de CO₂ passe de 3,114 t CO₂ / t de carburant pour le HFO pur à 2,856 t CO₂ / t de carburant, si l'on tient compte des avantages de la technologie de cavitation de RAPTECH en termes d'efficacité. Cela correspond à une économie globale de CO₂ d'environ 1,548 t par an, ce qui fait passer la classification CII du navire de C à B. L'impact économique et environnemental estimé de ces améliorations est résumé dans le tableau 4, mettant en évidence les avantages combinés en termes d'efficacité énergétique, de réduction des émissions et d'économies de coûts d'exploitation.
Ces améliorations consolidées confirment que le traitement par cavitation améliore efficacement les performances globales des mélanges de carburants marins, en améliorant l'efficacité énergétique, la fiabilité opérationnelle et le respect de l'environnement.
4. Conclusion
L'homogénéisation assistée par cavitation démontre un potentiel évident d'amélioration des propriétés physiques et chimiques des mélanges de carburants - dans cette étude, des mélanges de HFO, de biodiesel et de glycérine.
Les principaux avantages observés sont les suivants :
- Amélioration du mélange et de l'uniformité, y compris la dispersion efficace des boues et de l'eau résiduelle, ce qui permet de réduire la viscosité et de faciliter la manipulation du carburant.
- Activation chimique partielle (ajustable) in situ conduisant à des réductions mesurables du soufre, des cendres et des contaminants métalliques, ainsi qu'à une moindre formation de sédiments.
- Comportement de combustion stable avec de légères économies de carburant (~1%) et seulement des augmentations mineures de NOₓ en raison d'une teneur en oxygène plus élevée.
- Réduction des exigences opérationnelles et de maintenance, y compris l'énergie de préchauffage et la gestion des boues.
Ces résultats démontrent que l'homogénéisation par cavitation peut servir de processus évolutif, économe en énergie et compatible avec l'environnement pour améliorer et stabiliser les mélanges de carburants marins. La poursuite des recherches sur les mécanismes de modification chimique induite par la cavitation et sur les performances à long terme des moteurs permettra de mieux intégrer ce procédé dans les systèmes de soutage et de traitement des carburants durables.
Les auteurs : Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Références
1. Organisation maritime internationale (OMI). IMO 2020Réglementation sur le plafonnement du soufre. OMI, Londres, 2020.
2. ISO 8217:2017. Spécifications des carburants marins.Organisation internationale de normalisation, Genève, 2017.
3. EN 14214. Esters méthyliques d'acides gras (EMAG) pour carburant biodiesel - Exigences et méthodes d'essai. Comité européen de normalisation, Bruxelles, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology : Technical Brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerin Blends. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al, Fuel Stabilization and Emission Reduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
