Ammonia combustion in water vapour presence : impact on NOx emissions
| Projet exploratoire de la cellule Energie du CNRS | |
| Durée ► | 12 mois |
| Démarrage ► | Janvier 2022 |
Contexte
Pour atteindre l’objectif de neutralité carbone en 2050, la demande en électricité sera fortement augmentée afin de répondre aux besoins énergétiques des systèmes de transports et de chauffage/refroidissement. À cette fin, la plupart des pays considèrent les ressources énergétiques propres et renouvelables (telles que l’énergie éolienne et solaire) comme les principales ressources énergétiques du futur. Cependant, en raison de leur intermittence, et afin de maintenir un approvisionnement électrique sûr, le stockage d’énergie devra faire partie intégrante du réseau intelligent moderne. Une façon de stocker les excédents d’énergie renouvelable est le stockage électrochimique, principalement de l’hydrogène (H2). Cependant, l’hydrogène, e-carburant « le plus simple », souffre de quelques inconvénients comme son stockage et la sécurité liée à son utilisation.
Pour pallier cet inconvénient, l'ammoniac est dans un premier temps considéré comme un vecteur de stockage d'H2, du fait de ses avantages par rapport à l'hydrogène comme son moindre coût par unité d'énergie stockée, sa densité énergétique volumétrique plus élevée, sa phase liquide obtenue par compression à 0,9 MPa à température ambiante. La capacité de production, de manutention et de distribution d'ammoniac est plus facile et plus étendue. Des infrastructures bien établies et fiables existent déjà pour le stockage et la distribution de l'ammoniac (y compris par pipeline, train, route, bateau).
En plus de stocker l’hydrogène, l’ammoniac peut également être utilisé comme carburant. Jusqu’à présent, l’ammoniac a été introduit principalement en complément des combustibles carbonés afin de décarboner partiellement les systèmes énergétiques (tels que les turbines à gaz, les fours industriels ou les moteurs à combustion interne). Afin de parvenir à des systèmes totalement décarbonés, la combustion d’ammoniac pur est de plus en plus envisagée. Cependant, pour contrecarrer la température d'inflammation élevée du NH3 et sa faible inflammabilité (une caractéristique de sécurité positive), la plupart des applications envisagées reposent sur un craquage thermique partiel, préliminaire ou in situ du NH3 en N2 et H2.
Le manque de connaissances concernant la chimie de l'oxydation du NH3 mais aussi des émissions induites telles que les NOx et le potentiel rejet de NH3 imbrûlé constituent actuellement un frein au développement et à l'optimisation de la combustion du NH3. Cependant, les cinétiques chimiques d’oxydation du NH3 suscitent un intérêt depuis des décennies sur deux aspects. L'ammoniac fait en effet partie des COV issus de la combustion des combustibles solides et contribue à la formation de NO dans le carburant. Il est également utilisé comme agent réducteur dans les méthodes de NO thermal-deNOx (SNCR : réduction sélective non catalytique).
La modélisation de la cinétique d’oxydation de l’ammoniac repose également sur des données expérimentales de laboratoire, telles que les vitesses fondamentales des flammes et les temps d’auto-inflammation. Cependant, les mesures d'espèces chimiques et d'intermédiaires de réaction dans une gamme variée de pressions et de températures sont essentielles, mais très rares dans les conditions de flamme de l'ammoniac, pour mieux comprendre l'oxydation de l'ammoniac et affiner les modèles cinétiques, pour des simulations plus prédictives permettant de concevoir et d'optimiser applications industrielles.
A notre connaissance, très peu d’expériences en conditions de flamme avec des mélanges NH3 ou NH3/H2 sont rapportées dans la littérature. À ce jour, aucun système basé sur la combustion pure de NH3 (comme une turbine à gaz, un brûleur industriel, un moteur à combustion interne, etc.) ne peut assurer des rendements élevés tout en maintenant un impact environnemental le plus faible possible.
Objectifs
Notre objectif, à travers le projet DeNOx-NH3-H2O d'une durée d'un an, est d'initier des études sur la combustion de l'ammoniac, encore inexplorée, axées sur la composante des émissions de monoxyde d'azote, qui est l'un des inconvénients connus et majeurs de la combustion du NH3.
Dans des conditions de flamme, les voies de formation de NO lors de la combustion de NH3 sont les mécanismes dits de « NO combustible » et de « NO thermique ». Ainsi, les modèles cinétiques détaillés prédisent une réduction des émissions de NO lors du passage d'une combustion pauvre ou stœchiométrique vers une combustion riche en NH3, mais cette réduction s'accompagne d'une forte augmentation des émissions de NH3 imbrûlés.
Une manière envisagée (utilisée par exemple dans la combustion de H2) pour réduire les émissions de NOx issues de la combustion de NH3 consiste à injecter de la vapeur dans le prémélange. Cet ajout engendrerait d'une part une augmentation des radicaux OH et déplacerait l'équilibre de la réaction N+OH=NO+H (consommation de NO) et d'autre part un élargissement du domaine de fonctionnement des méthodes de réduction non Catalyseurs NO (thermique-deNOx); le NH3 résiduel dans les gaz d'émission permettrait ainsi de réduire le NO.
A ce jour, cette dernière hypothèse a été vérifiée expérimentalement dans des conditions de « MILD combustion » (Moderate and Intense Low-oxygen Dilution) qui permet de réduire l'élévation de température des gaz brûlés et de réduire la formation de NOx. Mais les conséquences de l’ajout de petites quantités de vapeur d’eau au prémélange gazeux initial dans des conditions de flamme ne sont pas documentées. Dans tous les cas, les processus cinétiques dépendent fortement de la température et des équilibres réactionnels.
Ce projet exploratoire s'articulera autour d'expérimentations menées sur un brûleur « académique » (au PC2A) et sur un moteur à combustion interne (à PRISME). Nous concentrerons nos efforts sur trois objectifs :
- trouver une large gamme de conditions de fonctionnement sur le brûleur pour obtenir une bonne stabilité de la flamme. Les paramètres variables considérés pour ce projet sont la richesse, le taux de dilution, le H2O ajouté à la fraction mélange combustible/comburant, et éventuellement l'ajout de H2.
- pour chaque condition retenue, déterminer précisément l'impact sur les émissions de NOx.
- vérifiez le potentiel d’ajout de vapeur d’eau dans un moteur monocylindre en mesurant les émissions d’échappement dans des conditions de fonctionnement possibles.
Partenaires
Le projet sera organisé sur 2 sites. Au PC2A, les flammes d'ammoniac prémélangées et laminaires seront stabilisées sur un brûleur dit à flamme plate. Au laboratoire PRISME, un moteur à combustion interne monocylindre de type allumage commandé est disponible. Sur les deux sites, les espèces NO peuvent être mesurées soit par fluorescence induite par laser (LIF) le long de la flamme (PC2A), soit à l'échappement du moteur (PRISME) par FTIR. L'équipement de combustion (brûleur et moteur) est prêt à fonctionner pour « brûler » l'ammoniac.
Déroulement
Le programme de travail semble réalisable en 1 an. Les 2 équipes impliquées dans le projet ont une expérience reconnue en stabilisation de flamme et combustion moteur (PRISME) [ex. Lhuillier et al., Proceedings of the Combustion Institute 38(4), 2021, 5859-5868] et en cinétique chimique et modélisation de la formation de composés azotés et techniques expérimentales associées (PC2A) (y compris le diagnostic de NO par fluorescence induite par laser (LIF)) [ par exemple. Lamoureux et coll. Combustion et Flamme, 157, 1929-1941, 2010].
Pour garantir les chances de réussite, ce projet a été préparé à l'avance, notamment au niveau de la configuration et de la préparation d'un brûleur et du moteur monocylindre ainsi que de leur alimentation en ammoniac. Dans le cadre de ce projet, l'ajout de vapeur sera mis en œuvre sur les installations expérimentales existantes. De plus, le recrutement d'un stagiaire de niveau M2 pour une durée de 6 mois assurera une bonne partie de la réalisation des expérimentations mais aussi de sensibiliser le candidat à la combustion sans carbone. Les perspectives de ce travail sont discutées à la fin du document.
Le risque évalué pour ce PEPS serait d’avoir un effet négligeable de l’ajout de H2O sur le NO dans des conditions de flamme. Mais si tel est le cas, cette perspective mérite d’être évaluée car elle est considérée comme « positive » avec certains modèles cinétiques.
Résultats attentuds
Ce projet PEPS permettra d'initier des recherches sur la combustion de l'ammoniac (sans co-carburant carboné) en vue d'une implantation pérenne au niveau national et international dans ce segment de recherche. Bien entendu, la neutralité « carbone » doit être évaluée tout au long du processus : de la synthèse de l'ammoniac jusqu'à sa combustion. La synthèse d'ammoniac « propre » sort du cadre de ce projet mais est réalisable.
Dans le cadre de ce projet, nous allons scanner un large éventail de conditions opératoires qui nous guideront dans la sélection des plus pertinentes à court et moyen terme. Chaque condition sélectionnée sera ensuite complétée par des mesures (en flamme) d'espèces radicalaires et atomiques (NH, OH, H, O) en plus de NO et NH3 afin d'obtenir une base de données détaillée et unique au niveau international permettant de développer et valider un mécanisme détaillé de l'oxydation du NH3. Les mesures plus globales à l'échappement d'un moteur mais avec un suivi de toutes les espèces contenant de l'azote permettront d'apporter des pistes de questionnement. Cette base de données en condition « académique » et moteur sera cruciale pour la validation des schémas cinétiques d'oxydation de l'ammoniac. En condition moteur, une modélisation simple de type Modèle 0D permettra d'évaluer la réponse des schémas cinétiques actuels et ceux développés par le PC2A sur cet ajout d'H2O et leur prédiction au regard des émissions de NOx.
Contact : Christine ROUSSELLE ⇒ christine.rousselle@univ-orleans.fr