Oxyde d'azote

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Les NO_x proviennent essentiellement de la combustion des combustibles fossiles dans l'air (qui contient près de 80 % d'azote) à une température supérieure à 1 400 °C (moteurs thermiques ou cimenteries[14], certains chauffages et certains véhicules à moteur thermique notamment, y compris catalysés et de quelques procédés industriels (production d'acide nitrique, fabrication d'engrais, traitement de surface, etc.).

Ils sont principalement formés dans les chambres de combustion et ont trois origines (mécanismes décrits sous forme simplifiée) :

thermique

N₂ (air) + O₂ → 2 NO lorsque la température de combustion, en présence d'air, excède 1 400 °C ;

combustible

R-NH₂ (azote combiné du combustible [par ex. le bois[15]]) + O₂ → NO +... si N combiné dans le combustible ;

NO prompt

N₂ + CH → HCN + N puis NO après différentes étapes même à plus basse température[16].

NO se transforme en présence d'oxygène en NO₂ (de 0,5 à 10 %) dans le foyer de combustion. Cette réaction se poursuit lentement dans l'atmosphère et explique, dans le cas des villes à forte circulation, la couleur brunâtre des couches d'air pollué situées à quelques centaines de mètres d'altitude (action conjointe des poussières)[8].

Les NO_x contribuent à l'odeur caractéristique de l'air urbain pollué par la circulation[17].

NO₂ est mortellement toxique (40 fois plus que le CO, 4 fois plus que NO)[18]. Il pénètre profondément dans les poumons[19] et est soluble dans l'eau[20].

Les pics de concentrations sont plus nocifs qu'une même dose étalée sur une longue période. NO est un gaz irritant pour les bronches, il réduit le pouvoir oxygénateur du sang[8].

Ces molécules pénètrent facilement les bronchioles, affectent la respiration et provoquent une hyperréactivité des bronches chez les asthmatiques, ainsi qu'une vulnérabilité accrue des bronches aux microbes, au moins chez les enfants[21].

En cas d'inhalation des vapeurs nitrées de fumées de tir d'explosif, utilisé dans un lieu confiné (dans une grotte par des spéléologues ou dans une mine mal aérée par exemple, où 1 kg d'explosif nitré va relarguer 0,1 à 3 litres de NOx (NO + NO2)[22] « les symptômes immédiats peuvent se limiter à quelques troubles irritatifs : toux, picotements, larmoiements, irritation oculaire et pharyngée ; ces symptômes s’arrêtent dès que l’intoxiqué est mis à l’air libre. Il peut alors reprendre son exploration malgré une légère lassitude mais 2 à 36 heures plus tard, il risque de présenter des troubles graves signant un œdème pulmonaire aigu : toux, cyanose, expectoration rosée ou jaune saumonée, anxiété, sueurs froides, forte soif. La mort survient dans la plupart des cas en 24 à 48 heures. A signaler que les vapeurs nitreuses sont solubles dans l’eau »[22].

Comme signalé plus haut, le dioxyde d'azote NO₂ intervient dans la formation d'oxydants photochimiques (ozone troposphérique) et par effet indirect dans l'accroissement de l'effet de serre.

NO et NO₂ contribuent au phénomène de pluies acides constituée, entre autres, d'acide nitrique (Acide fort)[23].

L’oxydation du NO produit par les combustions peut se poursuivre dans l’atmosphère pour former du NO₂ :

${\displaystyle \mathrm {2\ NO(g)+\ O_{2}(g)\to \ 2\ NO_{2}(g)} }$

NO₂ réagit avec l’eau pour donner une solution aqueuse d’acide nitrique « H₃O⁺(aqueux) + NO₃⁻(aqueux) » et du monoxyde d’azote NO :

${\displaystyle \mathrm {3\ NO_{2}(g)+3\ H_{2}O(l)\to \ 2\ H_{3}O^{+}(aq)+\ 2\ NO_{3}^{-}(aq)+\ NO(g)} }$ :

• (g) = gaz ;
• (l) = liquide ;
• (aq) = aqueux, ion hydraté = ion qui a fixé un certain nombre de molécules d'eau.

Les NOx font partie des polluants préoccupants que la France peine à réguler, du fait, entre autres, du nombre important de véhicules Diesel en circulation. L'ADEME, dans un avis mis à jour en mai 2018, recommande de maîtriser les besoins en déplacement, les modes de transport (personnes et marchandises), les types de mobilités – au profit de mobilités douces organisées de manière à développer les systèmes de libre-service (vélo), de covoiturage, de véhicule partagé (auto, vélo)... tout en veillant à améliorer la logistique du dernier kilomètre[24].

La combustion des combustibles fossiles et de la biomasse, dans les foyers fixes, d'une part, et des combustibles gazeux et liquides dans les moteurs thermiques, d'autre part, génère des émissions d'oxydes d'azote (NO_x) si la température de combustion dépasse 1 300 °C, même localement[30].

Les principaux émetteurs de NO_x sont le transport routier (d'où une politique de réduction au moyen de pots catalytiques par exemple) et les grandes installations de combustion (centrales thermiques, chauffages, etc.). Volcans, orages, feux de forêts contribuent aussi aux émissions de NO_x[8]. Dans l'atmosphère, les éclairs produisent des NO_x. Avec les NO et NO₂ produits par la combustion de combustible fossile ou de la biomasse, ils peuvent s'associer à l'eau et produire de l'acide nitrique HNO₃, l'un des responsables des pluies acides (voir la section effets sur l'environnement).

NO₂ se rencontre à l'intérieur des locaux où fonctionnent des appareils au gaz tels que gazinières ou chauffe-eau à gaz[25].

Les NO_x sont également produits lors de la combustion du bois. Ces oxydes d'azote ne proviennent pratiquement pas de l'oxydation de l'azote (diazote) de l'air (origine thermique), mais de celle de l'azote contenu dans le bois sous forme d'amines et de protéines nécessaires à la croissance de l'arbre (origine combustible)[15]^,[31].

En raison du taux d’azote contenu naturellement dans le bois, les émissions d’oxydes d’azote sont plus importantes pour des installations de combustion de la biomasse que pour des chaudières au fioul ou au gaz[32]^,[33].

Dans les années 2000, les véhicules sont devenus responsables de près de 60 % des émissions de NO_x[25].

En 2007, la Chine est le premier pays émetteur d'oxydes d'azote[34].

Comparaison entre les normes d'émission d'oxydes d'azote (NOx) et les émissions mesurées[35].

Le pot catalytique a diminué les émissions des voitures (depuis 1993 en France), mais avec un impact atténué par une forte croissance du trafic, du nombre de véhicules, et par la durée de renouvellement du parc de véhicules. Les pots et filtres catalytiques sont efficaces mais consomment des métaux « précieux » et rares éventuellement toxiques (dont métaux du groupe du platine), et en perdent dans l'environnement. De plus, en Europe, où pour des raisons fiscales le taux de moteurs Diesel (catalysés depuis 1996) est très élevé, ce type de véhicules produit l'essentiel du NO_x. Une étude de l'UE a conclu en 1990, que 15 % des émissions de NO_x étaient dues au transport maritime. À ce rythme elles représenteront 23 % des émissions en 2010[36]. En France, pays où le taux de diesel est le plus élevé, le transport routier était en 2010 responsable d'environ 55 % des émissions de NO_x selon le CITEPA[37], ce qui en fait un des premiers responsables de la pollution routière.

Deux types de techniques existent : les techniques dites primaires (action sur la combustion) et les techniques dites secondaires (action sur l'effluent gazeux).

Techniques primaires

Elles limitent les émissions en intervenant sur la combustion. On citera les brûleurs « bas-NO_x »[38], la recirculation des gaz de combustion, l'injection étagée du combustible et/ou de l'air de combustion[39]. L'efficacité de ces techniques s'échelonne entre 20 et 60 % (dans le cas où l'on combinerait plusieurs techniques primaires).

Techniques secondaires

Elles permettent d'obtenir des taux de réduction beaucoup plus importants.
Les deux technologie qui se sont réellement imposés sur le marché sont :

oxydoréduction non catalytique (en anglais SNCR de selective non catalytic reduction)

permettant un abattement d’au moins 50 % du flux de polluant, par l’injection d’urée, ou d'ammoniac, en une zone ciblée des fumées^{[Quoi ?][réf. nécessaire]} ;

réduction catalytique sélective (en anglais SCR pour selective catalytic reduction)

permettant un abattement d’au moins 80 % du flux de polluant, par une réaction chimique catalytique, le catalyseur étant régénéré périodiquement[40]^,[41].

La température de combustion étant difficile à contrôler, dans un poêle ou une cheminée (avec ou sans insert), et toute température de combustion supérieure à 1 300 °C générant des NOx, le bois énergie est plus susceptible d'en générer que les chaudières fonctionnant au gaz naturel ou au fioul où la température de combustion est plus facile a contrôler[alpha 4], son développement, dans le cadre de la promotion des énergies renouvelables, « joue un rôle prépondérant par rapport aux autres énergies dans l’évolution des émissions de NO_x[42] ».

La combustion du bois « dans des installations de chauffage ordinaires - sans filtres coûteux - produit des polluants atmosphériques locaux additionnels, surtout de la poussière fine et des oxydes d’azote »[43]. Les services cantonaux de l'énergie et de l'environnement, dans une information sur les chaudières bois à chargement automatique (granulés et plaquettes), signalent qu'« une chaudière à bois émet bien davantage de particules PM₁₀ et d'oxydes d'azote NO_x qu'une chaudière à mazout »[33].

L'institut Paul Scherrer préconise la conversion du bois énergie en gaz naturel de synthèse pour réduire ces émissions[43].

Émissions de PM₁₀ et de NO_x (NO + NO₂) de systèmes de chauffage actuels en Suisse.
Émissions directes. Autres émissions = émissions sur la chaîne de production[44].

La combustion de la biomasse a un impact sur la pollution atmosphérique, qui doit être réduite conformément aux engagements nationaux d'amélioration de la qualité de l'air. Une étude, réalisée pour le compte de l'ADEME par le CITEPA et « Énergies Demain »[45], évalue les conditions techniques et économiques d’un développement maîtrisé de la biomasse énergie permettant de respecter conjointement les engagements pris pour atténuer le réchauffement climatique et améliorer la qualité de l'air. Sur la vingtaine de polluants atmosphériques étudiés, les NO_x sont les seuls polluants pour lesquels une augmentation des émissions à l’horizon 2020 est observée dans les résultats des simulations[42]. Le texte suivant est extrait de cette étude :

« La problématique des émissions de NO_x reste à surveiller attentivement et à contrôler, même si la biomasse ne représente en 2005 que 2 % des émissions nationales. Non seulement la France ne respecte pas certaines concentrations limites dans l’environnement mais de plus elle a beaucoup de difficultés en ce qui concerne le respect de son plafond d’émissions de NO_x (que ce soit celui de 2010 ou celui en préparation pour 2020). La rénovation du parc d’appareils domestiques conduit à des émissions de NO_x supérieures par rapport à la situation existante. Le bois étant plus émetteur de NO_x que les combustibles fossiles de type gaz naturel et fioul, la mise en place de « de-NO_x »[alpha 5] sur des installations de puissances importantes pourrait être étudiée au cas par cas afin de limiter les émissions de NO_x. Selon les scénarios considérés, le surcoût annuel d’investissement pour équiper toutes les nouvelles chaufferies biomasse de système de traitement des NO_x est évalué entre 52 millions d’euros (système non catalytique ou SNCR, permettant une réduction de 2 à 6 % des émissions entre 2005 et 2020) et 280 millions d’euros (système catalytique ou SCR, permettant une réduction de 6 à 11 % des émissions entre 2005 et 2020). »[46].

Comparaison du facteur d'émission de NO_x du chauffage au bois[47]
avec les autres types de carburant
(secteur domestique, année 2005 - synthèse 2009)[48]

	Bois énergie	Houille	Fioul domestique	Gaz naturel
NOx (g/GJ sortant)	126	72	60	58

Les facteurs d’émission des appareils sont exprimés en g/GJ (masse de NO_x émise par unité d’énergie sortante (gigajoule (GJ))).

• Peter Atkins et Loretta Jones (trad. André Pousse), Chimie : molécules, matière, métamorphoses [« Chemistry : molecules, matter and change »], Bruxelles Paris, De Boeck universite, 1998, 1018 p. (ISBN 978-2-7445-0028-2, OCLC 489879525), traduction de la 3^e éd. américaine..
• Jacques Angenault, La Chimie : dictionnaire encyclopédique, Paris, Dunod, 1995, 2^e éd., 535 p. (ISBN 978-2-10-002497-1, OCLC 33151761, notice BnF n^o FRBNF35788665).
• Maurice Bernard (préf. Paul Arnaud), Cours de chimie minérale, Paris, Dunod, 1994, 2^e éd., 405 p. (ISBN 978-2-10-002067-6, notice BnF n^o FRBNF35717160).
• Savarino J, Bhattacharya SK, Morin S, Baroni M, Doussin JF. (2008), The NO+O3 reaction: a triple oxygen isotope perspective on the reaction dynamics and atmospheric implications for the transfer of the ozone isotope anomaly, J. Chem. Phys., mai 2008 21, 128(19):194303.

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