Impact des activités maritimes sur la qualité de l'air : Caractérisation physico-chimique des émissions des navires en zone portuaire

Impact of maritime activities on air quality: physico-chemical characterisation of ship emissions in port areas

• Auteur / Autrice : Lise Le berre
• Direction : Henri Wortham, Brice Temime roussel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement: Chimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de l'Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCE - Laboratoire Chimie Environnement
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Sauvage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Wortham, Frédéric Ledoux, Gaëlle Uzu, Brice Temime-roussel, Emilie Perraudin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Ledoux, Gaëlle Uzu

Mots clés

Mots clés libres

Navires

Facteurs d'émission

Pmf

Gaz

Pm1

Métaux

Ships

Emission factors

Source apportionment

Gases

Pm1

Trace metal

Résumé

Les activités maritimes dans les villes portuaires ont un impact significatif sur la qualité de l’air et la santé des populations. Ces émissions, souvent mal caractérisées, varient en fonction des opérations portuaires, rendant leur évaluation complexe. En réponse à cela, une campagne de mesures a été menée, pendant l’été 2021, à Marseille, ville abritant l’un des principaux ports de croisières et de ferries de la Méditerranée, afin de fournir une caractérisation complète des émissions des navires lors de leurs opérations portuaires. Des données à haute résolution temporelle ont été collectées simultanément à partir de deux stations de surveillance déployées dans la zone portuaire afin d’examiner la composition des phases gazeuse et particulaire. Plus de 350 panaches individuels ont été capturés à partir d’une variété de navires et de phases opérationnelles. Les émissions gazeuses sont principalement composées de NOX (86 %) et de CO (12 %), le SO2 et le CH4 représentant chacun environ 1 %. Bien que les COVNMs représentent moins de 0.1 % de la phase gazeuse, ils peuvent atteindre 10 % dans des conditions opérationnelles spécifiques. Les particules submicroniques (PM1) sont principalement composées de matières organiques (75 %), de carbone noir (21 %) et de sulfate (4 %) non équilibré par de l’ammonium. Parmi les caractéristiques des navires étudiées, la phase opérationnelle est la plus influente, avec une multiplication par trois des émissions de PM1, ainsi que des contributions relatives plus élevées de BC et de sulfate, de vanadium, de nickel et de fer pendant les phases de « manœuvres/navigation » par rapport à la phase de stationnement à quai. Les niveaux de polluants dans le port sont plus élevés que ceux relevés sur le site de fond urbain, avec des concentrations moyennes de NOX, de PM1 et de nombre de particules (PN) jusqu’à deux fois plus élevées. L’analyse des concentrations maximales révèle que les polluants tels que le SO2 et les métaux traces, notamment le vanadium et le nickel, sont 2 à 10 fois plus élevés dans la zone portuaire. Cette étude apporte un soutien solide à l’amélioration des inventaires d’émissions et des méthodes de détermination de la contribution des sources en indiquant des profils d’émissions pour l’ensemble des substances émises en fonction notamment de la phase opérationnelle des navires. Enfin, une analyse basée sur la méthode des modèles récepteurs PMF à partir de mesures de métaux, composés souvent considérés comme de bons traceurs du trafic maritime, a été testée pour identifier la contribution des activités maritimes à la dégradation de la qualité de l’air. Bien que cette approche ait permis d’identifier les profils d’émissions des navires en « manœuvres/navigation » dans la zone portuaire, elle a aussi montré ses limites pour détecter les émissions des navires à quai en raison de l’utilisation de carburants distillés, tels que le MGO, qui contiennent peu de métaux. Pour surmonter ces limitations et améliorer encore la précision des modèles récepteurs, il devient nécessaire de combiner la matrice des métaux avec la matrice organique.

Maritime activities in port cities have a significant impact on air quality and public health. These emissions, which are often poorly characterised, vary according to port operations, making them complex to assess. In response to this, a summertime field campaign was conducted in Marseille, one of the major cruise and ferry ports in the Mediterranean to provide comprehensive analysis of in-port ship emissions. High-temporal-resolution data were simultaneously collected from two monitoring stations deployed in the port area to examine the composition in both the gas and the particulate phases. More than 350 individual plumes were captured from a variety of ships and operational phases. Gaseous emissions are predominantly composed of NOX (86%) and CO (12%), with SO2 and CH4 each accounting for about 1%. Although NMVOCs make up less than 0.1% of the gaseous phase, they can be as high as 10% under specific operational conditions. Submicron particles (PM1) are mainly composed of organics (75%), black carbon (21%), and sulphate (4%) not balanced with ammonium. Among the ship-related characteristics investigated, the operational phase is the most influential with a threefold increase on PM1 emissions, along with higher relative contributions of BC and sulphate, vanadium, nickel, and iron during “manoeuvring/navigation” compared to “at berth”. Pollutant levels in the port are higher than those found at the urban background site, with average concentrations of NOx, PM1, and particle number (PN) up to twice as high. Analysis of the maximum concentrations reveals that pollutants such as SO2 and trace metals, including Vanadium and Nickel, are 2 to 10 times higher in the port area. This study provides robust support for enhancing emission inventories and source apportionment both of which are crucial for assessing air, health and climate impacts of shipping. This study provides robust support for improving emission inventories and methods for source apportionment by indicating emission profiles for all the substances emitted, depending on the operational phase of ships. Finally, within this framework, the PMF receptor model method was tested to identify the contribution of maritime activities to the deterioration of air quality based on measurements of metals, compounds often considered to be good tracers of maritime traffic. This approach made it possible to identify the emission profiles of ships ''manoeuvring/navigating'' in the port area but showed its limitations in detecting emissions from ships at berth due to the use of distilled fuels, such as MGO, which contain few metals. To overcome these limitations and further improve the accuracy of the receptor models, it is becoming necessary to combine the metals matrix with the organic matrix.