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Thèse de doctorat conjointe LABEX CAPRYSSES

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Potentiel de l’ammoniac comme additif de carburant avec un moteur à allumage commandé alimenté à l’éthanol.

 

Description synthétique du sujet

Une voie pour le stockage de l'excédent d'énergie renouvelable est ce que l'on appelle communément les « électro-carburants » (e-carburants), réalisable si les utilisateurs développent des solutions techniques adaptées pour les utiliser dans les convertisseurs d'énergie et/ou dans les systèmes de transport.

L'ammoniac peut être considéré comme un simple vecteur d'hydrogène (tel que reconnu par l'IEA, 2018) en raison de certains avantages par rapport à l'hydrogène comme :

  • son coût inférieur par unité d'énergie stockée ; sa densité d'énergie volumétrique plus élevée ;
  • une capacité de production, de manutention et de distribution plus facile et plus répandue, et une meilleure viabilité commerciale ;
  • sa phase liquide par compression à 0,9 MPa à température ambiante ;
  • une infrastructure bien établie et fiable existe déjà pour le stockage et la distribution de l'ammoniac (y compris pipeline, rail, route, bateau).

En considérant l'efficacité globale, il sera préférable de considérer le NH3 directement comme un combustible brûlé dans les turbines à gaz, les fours industriels ou les moteurs à combustion interne, très probablement après un craquage thermique partiel ou complet en azote et hydrogène pour équilibrer sa température d'inflammation élevée - une caractéristique de sécurité positive.

La connaissance limitée du processus de combustion (allumage, stabilisation de la flamme, propagation de la combustion, émissions de polluants…) limite pour le moment la production d'électricité à haut rendement et à faibles émissions à partir d'unités électriques de petite à grande échelle.

PRISME débute une thèse conjointe, financée à moitié par CAPRYSSES, avec VUB pour étudier en profondeur le procédé de combustion de l'ammoniac ciblant une utilisation dans les moteurs SI. Même si des résultats récents ont clairement pointé la possibilité de faire tourner le moteur avec du NH3 pur, une première étape est nécessaire pour chauffer le système et s'enflammer grâce au promoteur d'allumage.

De plus, si la combustion d'un mélange riche ammoniac/air évite l'émission de NOx, elle conduit à des niveaux trop élevés d'imbrûlés NH3. Une solution pour améliorer la réactivité de l'ammoniac pourrait être de le mélanger avec un autre e-carburant liquide comme l'e-éthanol (ou Bioéthanol). Du fait de sa miscibilité partielle avec NH3, une émulsion sera préférée et pourra être améliorée grâce au dispositif ‘MICROSPHERE500’.

 

Objectifs du projet

Le projet proposé portera sur deux aspects :

PRISME + LTEN (Nantes) : Tout d'abord pour optimiser le procédé d'émulsion en fonction de la nature et de la proportion du combustible liquide et réaliser des expérimentations monocylindre pour évaluer le potentiel du NH3-Ethanol par rapport aux mélanges NH3-H2.

PRISME + ICARE - Deuxièmement, étudier les propriétés de combustion de ce nouveau carburant alternatif pour fournir une base de données unique de vitesses de combustion laminaire pour les mélanges NH3/éthanol, mesurées à la fois dans PRISME et ICARE en utilisant différentes configurations expérimentales complémentaires à des températures et des pressions jamais explorées auparavant. ICARE fournira des vitesses de combustion laminaires isochores à l'aide d'un nouveau montage et traitement expérimental (OPTIPRIME), récemment appliqué avec succès pour la flamme méthane/air à haute pression et température. PRISME effectuera des mesures de vitesses de combustion laminaire dans des conditions isobares. Ces nouveaux résultats expérimentaux serviront de base de données pour développer et améliorer un mécanisme cinétique détaillé.

Les impacts attendus sont conformes aux attentes de long terme : énergie décarbonée et synergies avec la transition vers les énergies renouvelables. Ce projet apporte des connaissances fondamentales sur la réactivité d'un futur vecteur énergétique : l'ammoniac. Il présente une combinaison unique d'expériences de caractérisation de la réactivité associées à une modélisation cinétique. Les partenaires apportent une expertise, des compétences et des installations complémentaires pour réaliser des tâches mutuellement liées. L'expertise des chercheurs impliqués dans le présent projet concerne la cinétique chimique expérimentale en combustion laminaire, le mélange efficace des carburants liquides et les processus de combustion dans le moteur. Les interactions entre les équipes sont nombreuses et indispensables pour avancer sur ce sujet important. Ce projet permettra une analyse très systématique des processus impliqués et fournira des données de référence. L'objectif à long terme de ce projet est de fournir le gain de connaissances obtenu en ce qui concerne la combustion ammoniac/éthanol pour l'environnement scientifique sous la forme de publications et de référentiels scientifiques. Les publications aspirantes sont destinées à fournir des approches de bon augure et innovantes qui auraient un effet multiplicateur sur la recherche et le développement de nouveaux carburants alternatifs.

 

Directeur de thèse : Christine ROUSSELLE ⇒  chrisitne.rousselle@univ-orleans.fr