ANR SIAC

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Contexte

Pour atteindre l'objectif de neutralité carbone en 2050 annoncé par l'Europe, la demande en électricité sera fortement augmentée pour l'énergie, les transports et les systèmes de chauffage/refroidissement. Pour cela, la plupart des pays considèrent les énergies renouvelables propres et intermittentes (comme l'éolien et le solaire) comme les principales ressources énergétiques du futur. Cependant, en raison de leur intermittence et de la nécessité de maintenir un approvisionnement électrique sûr, le stockage de l'énergie fera partie intégrante du réseau électrique intelligent moderne. Une solution pour stocker l'excédent d'énergie renouvelable est ce que l'on appelle communément les « électrocarburants », qui ne sont réalisables que si les utilisateurs développent des solutions techniques adaptées pour les exploiter dans les convertisseurs d'énergie et/ou dans les systèmes de transport. L'hydrogène est souvent considéré comme le meilleur candidat mais souffre jusqu'à présent de quelques inconvénients tels que sa capacité de stockage et sa sécurité.

Une autre alternative est l'ammoniac (NH₃), qui peut être considéré comme un « simple » vecteur d'hydrogène (H₂) (tel que reconnu par l'AIE). L'ammoniac présente certains avantages par rapport à l'hydrogène, tels que sa densité d'énergie volumétrique plus élevée; sa capacité de production, de manutention et de distribution plus facile et plus répandue, et sa meilleure viabilité commerciale; sa phase liquide par compression à 0,9 MPa à température atmosphérique ; une infrastructure bien établie et fiable déjà existante pour le stockage et la distribution de l'ammoniac (y compris pipeline, rail, route, bateau).

De nos jours, le NH₃ est principalement considéré comme un co-carburant des combustibles carbonés afin de réduire l'empreinte carbone globale des applications (telles que les turbines à gaz, les fours industriels ou les moteurs à combustion interne). Pour aller plus loin et décarboner complètement les émissions, la combustion de NH₃ pur ou co-alimenté avec la plus petite quantité de H₂ possible doit être envisagée. Jusqu'à présent, la plupart des applications reposent sur le craquage thermique partiel préliminaire de NH₃ en N₂ et H₂ pour contrecarrer la température d'inflammation élevée de NH₃ et sa faible inflammabilité (une caractéristique de sécurité positive).

Le manque de connaissances concernant la chimie d'oxydation du NH₃ et le processus de combustion lui-même limite actuellement l'optimisation de sa combustion. Les problèmes identifiés sont principalement liés à la stabilisation et à l'allumage de la flamme, à l'optimisation de la flamme pour augmenter l'efficacité globale et réduire les émissions de polluants (NOx et N₂O comme deuxième gaz à effet de serre (GES) après le CO₂ et le NH₃ imbrûlé).

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Objectifs

Les objectifs du projet SIAC peuvent être résumés comme suit :

• Améliorer les connaissances sur la combustion de l'ammoniac, de la description de la cinétique à la réponse de la flamme à la turbulence, en fournissant une nouvelle base de données obtenue expérimentalement dans des configurations à l'échelle du laboratoire avec des techniques optiques à haute résolution et numériquement par DNS haute fidélité.
• Comprendre la structure de la flamme turbulente ammoniac/air
• Résoudre certaines étapes fondamentales essentielles (mais pas toutes), expérimentales et de modélisation. 
• Fournir des outils de simulation numérique précis pour concevoir un système énergétique basé sur la combustion de NH₃.

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Partenaires

La FITe (Fédération pour l'Innovation et la Transition énergétique) est une fédération de recherche du CNRS avec l'Université d'Orléans. Elle s'appuie sur l'expertise des trois laboratoires constitutifs (GREMI, ICARE & PRISME) pour proposer de nouvelles idées répondant aux grands enjeux sociétaux de réduction des émissions polluantes, de nouveaux procédés neutres en carbone et de réduction de l'impact environnemental lors de la production d'énergie, tout en assurant la sécurité opérationnelle. FITe-PRISME est l'un des leaders internationaux dans la compréhension de la combustion de l'ammoniac, principalement pour les conditions pertinentes des moteurs (mais pas seulement) et FITe-ICARE, un pionnier sur les études de la dynamique de la flamme d'ammoniac par excitation externe.

PC2A est un laboratoire de recherche commun CNRS-Université de Lille. Le groupe combustion du PC2A s'intéresse à la compréhension de la chimie de la combustion en utilisant une double approche combinant expérimentation et modélisation cinétique. Une spécificité de cette équipe concerne son expertise dans les méthodes spectroscopiques de détection et de quantification d'espèces traces labiles. PC2A est l'un des leaders internationaux de la chimie de la formation prompte de NO avec plus de 25 articles internationaux, a été impliqué dans plusieurs projets ANR liés à la chimie de la combustion. 

Le CERFACS est un organisme de recherche, porté par 7 actionnaires (AIRBUS, CNES, EDF, Météo-France, ONERA, SAFRAN, TOTAL Energies) qui vise à développer des méthodes avancées de simulation numérique de grands problèmes scientifiques et technologiques d'intérêt pour la recherche et l'industrie. Le principal domaine d'application de l'équipe CFD est le DNS et le LES des écoulements turbulents multiphasiques compressibles instationnaires réagissant dans des géométries complexes, basés sur le calcul haute performance. Le CERFACS a participé à plus de 30 projets nationaux français et 15 projets européens. Le CERFACS possède ses propres machines de calcul et a l'habitude d'être sélectionné pour calculer sur les machines PRACE. Le code CFD interne AVBP (DNS/LES avec chimie réduite) ainsi que le code interne de réduction chimique ARCANE seront utilisés dans ce projet.

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Déroulement

Le facteur clé du succès de SIAC est d'associer les compétences respectives des partenaires dans les domaines pluridisciplinaires (cinétique fondamentale, diagnostic optique, mécanique des fluides, modélisation numérique) afin de participer à la résolution de quelques problématiques fondamentales pour la production d'énergie zéro  carbone de la combustion d'ammoniac pur.

La méthodologie globale consiste à mener des études expérimentales et numériques conjointes pour les configurations fondamentales. Le travail de recherche sera structuré en une tâche de gestion (T0) et trois tâches techniques (T1 à T3), coordonnées par un référent de tâche (TR).

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Résultats Attendus

SIAC contribuera à l'un des principaux objectifs fixés pour le DOMAINE 2 de l'appel ANR 2022 intitulé Sciences pour l'énergie et les matériaux. Ce premier projet sur la combustion de l'ammoniac en France propose de mener des investigations expérimentales et numériques fondamentales, basées sur des diagnostics laser avancés et des expériences à l'échelle du laboratoire et des simulations numériques haute fidélité.

L'amélioration du mécanisme cinétique détaillé de l'oxydation du NH₃ (éventuellement avec addition de H2) et de la formation de NO (Tâche 1), et le développement d'une technique de mesure spectroscopique adéquate pour la combustion de l'ammoniac amélioreront l'analyse de l'interaction turbulence-flamme (Tâche 2).

L'interaction turbulence-flamme sera étudiée expérimentalement en fonction des conditions thermodynamiques initiales rencontrées dans des applications réelles (Tâche 2) et un modèle de combustion turbulente capable de décrire tous les régimes de combustion dans un cadre continu sera proposé et validé par rapport aux mesures effectuées dans le cadre du projet dans la tâche 3.

Une large diffusion des résultats scientifiques obtenus au cours du projet se fera non seulement à travers des publications dans les revues scientifiques les plus prestigieuses du domaine mais également dans des revues orientées en libre accès. La recherche sera également diffusée à travers des conférences internationales. Les données de référence numériques et expérimentales fournies dans ce projet seront mises à la disposition de la communauté scientifique à travers des ateliers sur l'ammoniac. Pour augmenter l'impact scientifique, la base de données étendue générée dans SIAC devrait être disponible pour une communauté de recherche mondiale à travers les différents réseaux scientifiques, pour contribuer à améliorer, par exemple, un mécanisme cinétique détaillé ou un modèle de combustion turbulente.

Contact : Christine ROUSSELLE ⇒ christine.rousselle@univ-orleans.fr