Depuis une dizaine d'années, le développement de micro-capteurs a permis de réaliser de nouvelles mesures en continu de la qualité de l'air à moindre coût, rebattant les cartes de la concurrence dans un marché historiquement soumis aux exigences réglementaires et normatives.
Si leur intérêt et facilité d'utilisation dans le domaine de la qualité de l'air intérieur a permis un essor rapide, notamment dans le cadre de l’asservissement des ventilations et des bâtiments connectés, leur utilisation dans le domaine de la qualité de l'air extérieur reste soumise à des difficultés qui constituent un frein au développement de ce marché :
Absence de ligne chauffée pour limiter les incertitudes liées aux conditions météorologiques dans la mesure des particules fines ;
Complexité du terrain vis-à-vis des protocoles de communication (éloignement plus important des appareils par rapport à leur base, sites ruraux non couverts par les réseaux, chantiers en milieu souterrain…) ;
Limite de détection trop élevée (notamment pour le NO2) ;
Absence d'une étanchéité normée ;
Problèmes d'apport d'énergie dans des zones qui en sont dépourvues ;
Encrassement des cellules et absence d’étalonnage régulier / procédure de maintenance entrainant une dérive de la mesure.
Fort du retour d'expérience de leurs utilisateurs mais aussi de l’amélioration de leurs connaissances dans le domaine de la métrologie de la qualité de l'air, les concepteurs ont développé une nouvelle génération de micro-capteur : plus précis, plus fiable, moins soumis aux instabilités météorologiques, plus facilement déployables dans la variété des milieux extérieurs.
Surveillance en continu pendant deux ans des particules PM10 et du benzène en limite d'un chantier de déconstruction et construction à Aubervilliers
Ces micro-capteurs permettent aujourd'hui d'être déployés rapidement pour des campagnes ponctuelles ou de surveillance de l'air ambiant autour de sites industriels, de chantiers (notamment lors de phases spécifiques émissives de polluants), mais aussi dans le cadre de projets d'aménagements urbains/routiers où la mise en place de plusieurs points de mesure de référence est complexe à mettre en œuvre (matériel plus lourd, encombrant et bruyant) et souvent bien plus couteuse.
Le traitement pertinent des données de ces appareils reste soumis à une bonne connaissance de la qualité de l’air. Alors que la majorité des micro-capteurs ont pour ambition d’intégrer le marché des réseaux IoT et par conséquent de concerner l’ensemble de la population (citoyen, gestionnaire de bâtiment, RSE industriel et chantier…) l’interprétation des résultats nécessite de connaître les causes des variations de concentrations en polluants (émissions, interactions chimiques, météorologiques…) ainsi que les principes de la métrologie de la qualité de l’air.
La connaissance précise du matériel utilisé (méthode de mesure, limite de détection, incertitude, fonctionnement algorithmique, variations selon les paramètres météorologiques...) doit être acquise par l’utilisateur qui traite les données. Les résultats doivent être comparés aux matériels de mesure de référence existants et l’’utilisateur doit également être capable d’invalider des artefacts et interpréter les données moyennées sur un pas de temps assez long permettant de pallier les incertitudes.
Ainsi, la mise en place d'un micro-capteur au niveau d'une station de mesure de l'AASQA locale (ou a minima une intercomparaison sur un point de mesure avec les méthodes de référence) reste une étape incontournable dans le processus qualité du traitement des données obtenues. Il est également nécessaire d'effectuer une intercomparaison des micro-capteurs entre eux avant la réalisation de la campagne.
Mise en place de micro-capteurs pour la mesure des PM2.5 en continu autour d'un aménagement prévu place de la Concorde à Paris, avec intercomparaison au niveau de la station Airparif Champs-Elysées
Depuis plusieurs années, Rincent Air intègre les micro-capteurs dans la réalisation des campagnes de mesure de divers polluants (NO2, PM10, PM2.5, COVT...) en privilégiant les constructeurs français : WT1 d’Ellona, sonde QAA de Nanosense, Nemo d’Ethera…
Ces campagnes se déroulent dans le cadre de surveillance de chantiers, autour d'ICPE, pour des projets d'aménagements urbains et routiers mais aussi dans le but de tester l'efficacité de systèmes de remédiation (épurateurs en air intérieur, revêtement en TiO2 sur un tracé autoroutier).
Les mots d'Etienne de Vanssay :
Bien que la mesure par micro-capteur reste aujourd’hui indicative, leur utilisation se développe de façon significative dans le domaine de la qualité de l’air extérieur. Les initiatives de qualification des systèmes comme le « challenge Micro-capteur » du Airlab d’Airparif, le projet de certification INERIS/LNE de micro-capteurs pour l’air extérieur et les expérimentations portées par Fimea sont des moteurs scientifiques et économiques pour le développement de ces appareils, néanmoins le manque de normalisation et de reconnaissance par la réglementation reste un frein à leur développement.
Concrètement, la mesure des particules fines par micro-capteurs, comment ça marche ?
Pour mesurer les particules fines en temps réel, les micro-capteurs partagent globalement la même méthode de mesure : la détection optique par diode laser.
Le principe est le suivant : un pompage séquencé d’un flux d’air entrant est réalisé. Ce flux d’air « chargé en particules » va circuler dans une chambre de détection où il traverse le signal optique émis par une diode laser. Chaque particule qui va passer devant ce faisceau va entraîner une diffraction qui lui est propre. Un photodétecteur placé face au faisceau laser émis va recueillir les variations de luminosité liées au passage des particules et compte leur nombre par plage de taille (classe granulométrique). Ce comptage de particules permet en temps réel, via la connaissance du débit constant de l’air, de remonter à une concentration massique par classe granulométrique (PM1, PM2.5, PM10).
Les principaux constructeurs sur le marché sont le britannique ALPHASENSE (appartenant désormais au groupe américain AMETEK depuis décembre 2021), le français TERA SENSORS, l'allemand Thermokon, le chinois SHINYEI et l’américain HONEYWELL.
Les fabricants de micro-capteurs intègrent ensuite l’un de ces systèmes dans leur « boitier » complété par un algorithme propriétaire du traitement du signal et un système de communication (Lora, 4G, Sigfox…). Un software est souvent développé en parallèle pour la lecture et gestion des données en temps réel et à distance par un utilisateur. La différence entre les fabricants résident principalement dans la qualité de ces développements numériques mais aussi de la fiabilité et de l'ergonomie de l'assemblage de ces systèmes.