PFAS – Propriétés, risques et impact sur l'environnement

Compte tenu des effets potentiellement négatifs des PFAS (voir encadré) qui pourraient se dégager, de nombreuses valeurs limites, valeurs guides et valeurs d’orientation ont été introduites ces dernières années, notamment pour l’eau potable. Avec l’enrichissement de la base de données et une meilleure compréhension des effets sur la santé, il faut s’attendre à un durcissement supplémentaire des exigences réglementaires à l’avenir.

Des chercheurs ont déjà identifié diverses applications industrielles comme sources importantes de PFAS. Parmi celles-ci figurent notamment certains sites de production de l'industrie chimique ainsi que les mousses extinctrices contenant du fluor, qui ont été utilisées en particulier dans les aéroports. Alors que des études et des mesures correctives ont déjà été mises en place ou sont en cours pour ces sources, on dispose à ce jour de très peu de données sur les rejets potentiels de PFAS issus des applications liées à la technologie de l’hydrogène. Compte tenu du fort développement attendu des électrolyseurs PEM et des systèmes de piles à combustible, la question se pose donc de plus en plus de savoir si ces technologies sont également à l’origine d’émissions potentielles de PFAS et dans quelle mesure des mesures techniques ou réglementaires pourraient s’avérer nécessaires.

Premières études sur les véhicules à pile à combustible

Afin de procéder à une première évaluation indicative de cette question, une équipe du Centre de technologie des piles à combustible (ZBT) et de l’Institut de recherche sur l’eau (IWW) a mené une étude portant sur les rejets de PFAS provenant de différents véhicules à pile à combustible (véhicules électriques à pile à combustible, FCEV) [3]. À cette fin, deux voitures particulières ainsi qu’un véhicule utilitaire ont été échantillonnés et analysés pour détecter la présence de composés sélectionnés parmi le groupe des PFAS, en utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) conformément à la norme DIN EN 17892 :2024-08.

Les analyses ont révélé la présence de ces substances dans tous les véhicules examinés, avec au total cinq PFAS différents identifiés. La différence de concentration entre les voitures particulières et les véhicules utilitaires était particulièrement frappante, ce qui s'explique probablement par la taille et la conception différentes des pots d'échappement. À une exception près, les composés détectés étaient des acides carboxyliques perfluorés. Leur formation semble en principe plausible au regard des processus de dégradation radicalaire des membranes actuellement discutés.

Dans l'ensemble, les concentrations mesurées se situaient à un niveau faible. Pour mettre ces résultats en perspective, il est utile de se reporter au guide d’évaluation des PFAS basé sur les seuils de négligeabilité (GFS) et les valeurs d’orientation sanitaires (GOW), mis à disposition par le ministère fédéral de l’Environnement, de la Protection du climat, de la Protection de la nature et de la Sécurité nucléaire (BMUKN). Selon ce guide, rien n’indique actuellement une altération néfaste de la qualité de l’eau.Toutefois, les réglementations en vigueur ne couvrent pas l’ensemble des PFAS présents. Avec l’introduction de nouvelles valeurs limites et l’élargissement des capacités d’analyse, les évaluations futures pourraient donc évoluer.

Les études préliminaires ont montré que de nombreuses questions scientifiques restent encore sans réponse. Quelle est l'influence des différentes conditions d'exploitation sur la formation des PFAS ? D'autres PFAS apparaissent-ils en dehors des analyses standard établies ? Les PFAS peuvent-ils également se présenter en phase gazeuse et être rejetés par les flux d'air évacué ? Les composés détectés proviennent-ils réellement des membranes ou d’autres composants contenant du fluor ? Dans quelle mesure les résultats obtenus avec les piles à combustible peuvent-ils être transposés aux électrolyseurs PEM ?

Le projet de recherche « Parzell »

Afin de répondre à ces questions, le projet collaboratif « Analyse qualitative et quantitative des PFAS dans des conditions réelles d’exploitation des systèmes d’électrolyse PEM et de piles à combustible : impact environnemental et définition de mesures » a été lancé, en abrégé « Parzell ». Ce projet (01LF24640N) est financé par le ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie dans le cadre du programme de financement de la recherche industrielle collaborative (IGF) et rassemble l’expertise du Centre de technologie des piles à combustible (ZBT), de l’Institut pour l’environnement et l’énergie, Technique et Analyse (IUTA) ainsi que de l’Institut de recherche sur l’eau (IWW). Un comité composé de 16 partenaires industriels, issus notamment des domaines de la technique de mesure et d’analyse, des technologies environnementales ainsi que de la fabrication de composants et de filtres, accompagne le projet. Ce projet étudie les piles à combustible PEM et les cellules d’électrolyse PEM dans des conditions de fonctionnement proches de la réalité, à l’échelle du laboratoire. À cette fin, les chercheurs adaptent spécialement les bancs d’essai aux exigences de ces tests afin de détecter les émissions potentielles de PFAS aussi bien en phase aqueuse qu’en phase gazeuse.

L'accent est particulièrement mis sur l'identification et la quantification aussi complètes que possible des PFAS. À cette fin, les méthodes d'analyse existantes sont étendues et de nouvelles techniques sont développées. Outre les substances cibles classiques, l'objectif est avant tout d'identifier les PFAS en se basant sur leurs mécanismes de dégradation potentiels.

De nouvelles méthodes en phase liquide et en phase gazeuse sont mises en œuvre et optimisées pour la préparation et l'enrichissement des échantillons. L'objectif est de pouvoir détecter même les concentrations les plus faibles. Parallèlement, les pertes éventuelles dues à l'adsorption au sein des composants périphériques sont étudiées afin de garantir une qualité des données aussi élevée que possible. Pour l'analyse chimique, on utilise un large éventail de techniques de pointe (GC-MS/MS, LC-HRMS, LC-MS/MS, AOF). Ces méthodes permettent à la fois la quantification ciblée de composés connus et l'identification de structures de PFAS jusqu'alors inconnues. En complément, différents matériaux de membrane sont soumis à des expériences de dégradation ciblées.

Enfin, les participants au projet souhaitent développer, à partir des données expérimentales, un modèle mathématique permettant d'établir une première estimation des émissions potentielles dans différentes conditions de fonctionnement et d'identifier les modes de fonctionnement présentant des émissions minimales. Ces résultats serviront à évaluer les mesures techniques potentielles de réduction des émissions (par exemple, l'adsorption, la décomposition électrochimique, des stratégies d'exploitation adaptées ou l'optimisation des MEA).