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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Septième partie. Usages de l'énergie et efficacité énergétique

2. Efficacité énergétique : la combustion

Mourad Abdelkrim Boukhalfa

Texte intégral

1La combustion est aujourd’hui présente dans un grand nombre d’applications allant de la production de chaleur dans l’habitat (chauffage domestique), à la production industrielle (transformation de matières premières) et aux transports (routiers, aéronautique et spatial). Son importance est telle que la combustion représente environ 85 % de la consommation énergétique mondiale.

2Au cours des dernières décennies, nous assistons à une augmentation extraordinaire de la consommation énergétique avec un recours massif à l’utilisation des combustibles fossiles tels que le charbon, le pétrole ou le gaz naturel. Les pouvoirs publics, à l’échelle des nations ou plus localement à l’échelle des régions, ont mis en place depuis quelques années des règlements de plus en plus contraignants pour réduire la consommation des hydrocarbures et les émissions polluantes (taxe carbone et quotas d’émissions de CO2, indexation des bonus-malus sur les véhicules neufs…).

3Si les systèmes de combustion dans les procédés industriels tels que la production de chaleur ou les fours de production sont globalement bien optimisés, ils demeurent cependant de gros consommateurs d’énergie qui nécessitent encore des efforts considérables pour améliorer leur efficacité en mettant au point des systèmes de récupération d’énergie encore plus efficaces. L’introduction d’autres ressources comme les gaz de synthèses ou la biomasse constitue aussi un vecteur important de développement.

Les transports

4Les transports représentent un quart des émissions de CO2 au niveau mondial et un tiers de la consommation énergétique en France. Globalement le transport en France consomme environ 50 MTep dont 6,7 Mtep pour le secteur aérien. Dans les transports, si les trains fonctionnent déjà depuis plusieurs décennies avec des systèmes de propulsion électrique, les voitures, camions, avions et navires marchands restent quasi totalement dépendants des énergies fossiles. Cette consommation se répartie en 46,5 Mtep pour le pétrole, 2,4 Mtep pour les biocombustibles, 1 Mtep pour l’électricité (train, métro…) et 0,1 Mtep pour le gaz. On assiste aujourd’hui au début de l’ère du mix énergétique à une utilisation de plus en plus croissante des carburants issus de la biomasse (cf. V.9) ainsi que l’électrification progressive des véhicules. Des progrès considérables ont été réalisés durant les dernières décennies, concernant aussi bien l’amélioration de rendement des moteurs thermiques (et par conséquent les émissions de GES*), que les émissions de polluants par l’amélioration directe de la combustion ou par le développement de système de post-traitement des gaz brûlés tels que les composés organiques volatiles (COV), oxydes d’azote (NOx), particules fines... Les motorisations, aussi bien Diesel qu’essence, disposent encore d’un potentiel de développement important qui va se rajouter aux gains qui seront obtenus sur le poids des véhicules, la récupération d’énergie ainsi que la réduction des frottements et l’amélioration de l’aérodynamique. Une compréhension fine et la maîtrise des phénomènes d’injection du carburant, de mélange et de combustion déboucheront également sur de nouveaux concepts et stratégies de combustion à émissions de GES et de polluants réduites. Les développements des outils de modélisation et de simulations numériques très résolues dans le temps et dans l’espace, associées à des expérimentations utilisant des diagnostics lasers de plus en plus rapides (figure 1) permettront d’accroître les connaissances fondamentales de la combustion et permettront aux systèmes de propulsion d’atteindre des niveaux de performances encore plus importants. Dans le cas des carburants alternatifs, le développement de motorisations spécifiquement dédiées en tenant compte de la composition chimique du carburant, de sa spécificité et du mix approprié avec le développement de procédés de dépollution spécifique permettra de tirer le meilleur parti de ces carburants nouveaux.

Fig. 1 – Exemple de visualisations dans une machine à compression rapide pour l’étude de la combustion à injection directe, essence ou diesel : (a) injection de carburant où l’intensité représente globalement la concentration de la phase liquide ; (b) la concentration du mélange du combustible* en phase gazeuse avec l’air dans la chambre, mesurée par une technique de fluorescence ; (c) zones de combustion visualisées par la technique d’ombroscopie*, les gaz brûlés sont de couleur noire ; (d) zone d’accrochage de la flamme proche d’un injecteur, visualisée par la technique de fluorescence spontanée OH* ; (e) zones de présence de particules de suies* mesurées par la technique LII* (Laser Induced Incandescance). Travaux réalisés au laboratoire commun CERTAM/CORIA, L3C, Rouen

Fig. 2 – Visualisation des plus petits tourbillons par la simulation du brûleur PRECCINSTA (Turboméca Groupe SAFRAN). Le maillage compte 2,6 milliards d’éléments tétraédriques pour une résolution de 100 microns. Les simulations ont été réalisées avec le logiciel YALES2 (CORIA-CNRS) sur 16 384 processeurs de la machine Blue Gene/P de l’IDRIS

Aéronautique

5Enfin, pour l’aéronautique, le poste carburant constitue une part importante dans le budget d’exploitation des compagnies aériennes. La guerre des prix livrée cette dernière décennie a forcé les constructeurs à réaliser des efforts considérables pour réduire la consommation. De plus, les constructeurs européens se sont engagés à respecter les normes fixées par ACARE (Conseil Consultatif pour la recherche Aéronautique en Europe). Ces normes très contraignantes, qui rentreront en vigueur en 2020, fixent par exemple pour un avion de ligne une réduction de 80 % d’émission de NOx et 50 % de CO2 comparé à un avion de l’année 2000. Un des verrous technologiques pour atteindre ces seuils reste l’amélioration de la chambre de combustion des moteurs. Celle-ci est soumise à un écoulement d’air turbulent* à grande vitesse et à haute pression. Elle est le siège d’une combustion turbulente où des centaines de réactions chimiques vont avoir lieu dans un temps très court et inférieur à la milliseconde. La chambre de combustion joue donc un rôle déterminant pour brûler tout le combustible* injecté sans génération de polluants. Ce challenge est difficile à atteindre à cause des phénomènes d’atomisation*, de mélange à très grande vitesse, de la combustion de ce mélange hétérogène, des échanges thermiques mis en jeux au niveau des parois, tout en tenant compte des effets de pression et de températures élevées. Les outils de simulation numériques permettent aujourd’hui de prédire des champs thermiques et quelques espèces de polluants pour des flammes turbulentes de laboratoire et des chambres de combustion aéronautiques (figure 2). L’optimisation de ces outils nécessite encore des efforts importants. D’autres pistes de nouveaux concepts de propulsion sont à l’étude comme la propulsion par détonation par exemple « PDE ». Ces travaux sont encore au stade de recherche académique et de prototypes de laboratoire.

Bibliographie

Références bibliographiques

• R. BORGHI et L. DESTRIAU – La combustion et les flammes, Technip 1995.

Combustion for Aerospace Propulsion, Compte-rendus de l’Académie des Sciences, vol. 337, n° 6-7, 2009.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Exemple de visualisations dans une machine à compression rapide pour l’étude de la combustion à injection directe, essence ou diesel : (a) injection de carburant où l’intensité représente globalement la concentration de la phase liquide ; (b) la concentration du mélange du combustible* en phase gazeuse avec l’air dans la chambre, mesurée par une technique de fluorescence ; (c) zones de combustion visualisées par la technique d’ombroscopie*, les gaz brûlés sont de couleur noire ; (d) zone d’accrochage de la flamme proche d’un injecteur, visualisée par la technique de fluorescence spontanée OH* ; (e) zones de présence de particules de suies* mesurées par la technique LII* (Laser Induced Incandescance). Travaux réalisés au laboratoire commun CERTAM/CORIA, L3C, Rouen
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11124/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 549k
Légende Fig. 2 – Visualisation des plus petits tourbillons par la simulation du brûleur PRECCINSTA (Turboméca Groupe SAFRAN). Le maillage compte 2,6 milliards d’éléments tétraédriques pour une résolution de 100 microns. Les simulations ont été réalisées avec le logiciel YALES2 (CORIA-CNRS) sur 16 384 processeurs de la machine Blue Gene/P de l’IDRIS
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11124/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 636k

Auteur

Physicien Énergéticien, Professeur des Universités, Directeur du Laboratoire CORIA, Rouen.
boukhalfa@coria.fr

© CNRS Éditions, 2013

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