Alexis MATYNIA   Journées académiques Physique-Chimie 2010   1 avril 2010
Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement

• Les thématiques de recherche
 - Etude des aspects ph...
• Personnel
  - 13 chercheurs
  - 14 enseignants chercheurs
  - 21 Ingénieurs et techniciens
  - 23 doctorants
  - 15 CDD
...
I. La problématique climat/énergie
   a) Le climat : effet de serre
   b) L'énergie : les principales sources d'énergie en...
I. La problématique climat/énergie

II. La biomasse
   a) Le bois-énergie
   b) Les biocarburants de première génération
 ...
I. La problématique climat/énergie

II. La biomasse

III. Expériences de combustion
   a) Mise en place du digesteur de dé...
I. La problématique climat/énergie

II. La biomasse

III. Expériences de combustion

IV. La recherche en combustion au CNR...
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II. La biomasse

III. Expériences de combustion

IV. La recherche en combustion au CNR...
I. Climat/énergie     II. La Biomasse   III. Quelques expériences   IV. CNRS   V. Mon travail




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    a) Présentation
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    a) Présentati...
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  b) Les axes...
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  c) Les domaines d'applic...
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  a) Structure de flamme ...
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Gabriel Bergounioux   Directeur de l'Institut des Lettres de l'université d'Orléans
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Présentation les sources d'énergie issues de la biomasse

  1. 1. Alexis MATYNIA Journées académiques Physique-Chimie 2010 1 avril 2010
  2. 2. Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement • Les thématiques de recherche - Etude des aspects physiques et chimiques de la combustion Formation des polluants Reformulation des carburants Nouveaux modes de combustion propagations des explosions - Le secteur spatial Propulsion spatiale pour les satellites et les sondes interplanétaires Propulsion hypersonique Rentrées atmosphériques - Réactions chimiques dans l'atmosphère Formation des espèces polluantes dans l'atmosphère Mesure d'espèces chimiques dans l'atmosphère 2
  3. 3. • Personnel - 13 chercheurs - 14 enseignants chercheurs - 21 Ingénieurs et techniciens - 23 doctorants - 15 CDD 3
  4. 4. I. La problématique climat/énergie a) Le climat : effet de serre b) L'énergie : les principales sources d'énergie en 2006 c) L'évolution des découvertes et de la consommation de pétrole au cours du dernier siècle 4
  5. 5. I. La problématique climat/énergie II. La biomasse a) Le bois-énergie b) Les biocarburants de première génération c) Les biocarburants de deuxième génération d) Le biogaz 5
  6. 6. I. La problématique climat/énergie II. La biomasse III. Expériences de combustion a) Mise en place du digesteur de démonstration b) Expériences
  7. 7. I. La problématique climat/énergie II. La biomasse III. Expériences de combustion IV. La recherche en combustion au CNRS a) Les enjeux sociétaux b) Les axes de recherche, quelques exemples c) Les domaines d'application 7
  8. 8. I. La problématique climat/énergie II. La biomasse III. Expériences de combustion IV. La recherche en combustion au CNRS V. Mon travail de recherche Partie 1. Structure de flamme , P≤1 atm a) Dispositif expérimental b) Exemples de résultats c) Présentation des codes de calcul PREMIX/OPPDIF pour la modélisation des flammes d) Comparaison expérience/simulation Partie 2. Structure de flamme , P≥1 atm a) Structure de flamme à haute pression b) Dispositif expérimental c) Technique de mesure, la Fluorescence Induite par Laser d) Exemples de résultats, profil du radical OH dans les flammes Partie 3. Autres études 8
  9. 9. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre Soleil espace atmosphère terrestre océans sol 9
  10. 10. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre Soleil 30 % Énergie réfléchie espace atmosphère terrestre 70 % Énergie solaire absorbée par l'atmosphère et le sol océans sol 10
  11. 11. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre Soleil 30 % Énergie réfléchie espace atmosphère terrestre 70 % Énergie solaire absorbée par Énergie l'atmosphère et le sol renvoyée Réchauffement du sol océans sol 11
  12. 12. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre Soleil 30 % Énergie réfléchie Énergie renvoyée espace atmosphère Gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4, N2O etc.) terrestre 70 % Énergie solaire absorbée par Énergie renvoyée Énergie réémise l'atmosphère et le sol (chaleur piégée) Réchauffement du sol océans sol 12
  13. 13. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre Soleil 30 % Énergie réfléchie Énergie renvoyée espace atmosphère Gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4, N2O etc.) terrestre 70 % Énergie solaire absorbée par Énergie renvoyée Énergie réémise l'atmosphère et le sol (chaleur piégée) Réchauffement du sol océans sol Effet de serre naturel 13
  14. 14. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre Soleil 30 % Énergie réfléchie Énergie renvoyée espace atmosphère Gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4, N2O etc.) terrestre 70 % Énergie solaire absorbée par Énergie renvoyée Énergie réémise l'atmosphère et le sol (chaleur piégée) Réchauffement du sol océans sol Effet de serre additif 14
  15. 15. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre Soleil 30 % Énergie réfléchie Énergie renvoyée espace atmosphère Gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4, N2O etc.) terrestre 70 % Énergie solaire absorbée par Énergie renvoyée Énergie réémise l'atmosphère et le sol (chaleur piégée) Température moyenne à la surface du globe Réchauffement du sol océans sol 15
  16. 16. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Le climat : Effet de serre CO2 : dioxyde de carbone CH4 : méthane N2O : protoxyde d'azote Parts respectives des différents gaz à effet de serre anthropiques dans les émissions totales de 2004 16
  17. 17. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail b) Les principales sources d'énergie dans le monde en 2006 Autres (0,6%) : -Energie solaire - Géothermie - Eolien - Energie des marées... 17
  18. 18. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail b) Les principales sources d'énergie dans le monde en 2006 Autres (0,6%) : -Energie solaire - Géothermie - Eolien - Energie des marées... 18
  19. 19. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) L'évolution des découvertes et de la consommation de pétrole au cours du dernier siècle 60 découvertes 50 projections Giga barils / année consommation 40 mise à jour 2002-2010 30 20 10 0 1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050 Année Source ASPO, mise à jour : site theoildrum.com 19
  20. 20. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Présentation Biomasse : (écologie) masse totale des organismes vivants (animaux/végétaux) mesurée dans un environnement (énergie) ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d'énergie Production d'énergie issue de la biomasse en France (2008) 20
  21. 21. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Présentation Croissance Extraction Combustion Combustion Bilan CO2 neutre Bilan CO2 positif 21
  22. 22. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail b) Le Bois-Energie 75% Avantages : - abondant - économique - respectueux de l'environnement Bûches Domaine d'utilisation : chauffage individuel ou collectif applications industrielles (production de vapeur, procédés de séchage, etc.) L'utilisation du bois pour le chauffage ne détruit pas les forêts car il provient essentiellement d'éclaircies, de déchets forestiers et de déchets Plaquettes de l'industrie du bois. La surface boisée en France et en Europe augmente d'année en année. En région Centre, la ressource disponible pour le bois-énergie est très importante (3 millions de m3 par ans non utilisés). La Granulés structure Arbocentre encadre le développement de cette filière. 22
  23. 23. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Les biocarburants de première génération 16% Le biodiesel ≈5% tournesol transestérification huiles biodiesel mélangé au colza gazole 650 000 tonnes de biodiesel produite en France en 2006 Le bioéthanol betterave canne à sucre ≈5% fermentation distillation Mélangé à pomme de terre, sucre l'essence blé, mais amidon bioéthanol ETBE ≈ 15 % 234 000 tonnes de bioéthanol produite en France en 2006 23
  24. 24. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Les biocarburants de première génération 16% Réduction des émissions de CO2 "fossile" Bilan environnemental médiocre du fait de la production agricole intensive - augmentation de la pollution des eaux (pesticides, engrais ...) - déforestation dans certaines zones du globe (Brésil, Malaisie ...) - augmentation des émissions de N2O, un gaz à effet de serre 296 fois plus puissant que le CO2 (!) L’utilisation des terres pour les biocarburants entre en compétition avec les terres pour la production d’aliments et fait monter les prix des produits agricoles pénuries alimentaires ! Avec plus de 150 000 ha destinés à la culture des agro-carburants, la région centre est une des premières région productrice de colza diester. 24
  25. 25. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail d) Les biocarburants de deuxième génération Voie Résidus agricoles synthèse thermochimique Mélangé (pailles) et forestiers (gazéification) au gazole hydrocarbures gaz de synthèse Cultures dédiées à Voie biochimique fermentation croissance rapide Mélangé à (hydrolyse bioéthanol l'essence sucre enzymatique) Production à base de végétaux non comestibles, non concurrence avec les cultures alimentaires Meilleur bilan énergétique que la première génération Meilleur bilan environnemental que la première génération (consommation en eau et engrais réduite) La région Centre conduit des études sur la voie thermochimique de la transformation de la biomasse. Dans ce but, une unité-pilote de biocarburants 2e génération formés par voie thermochimique devrait être implantée à Artenay 25
  26. 26. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail 1% e) Le biogaz Mélange méthane/dioxyde de carbone issu de la fermentation anaérobie (sans oxygène) de matière organique pendant une à trois semaines Matière organique : -déchets organiques d'origine agricole (fumiers, lisiers…) -urbains (déchets verts, boues d'épuration, etc.) - déchets alimentaires Digesteur 26
  27. 27. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail 1% e) Le biogaz Mélange méthane/dioxyde de carbone issu de la fermentation anaérobie (sans oxygène) de matière organique pendant une à trois semaines Matière organique : -déchets organiques d'origine agricole (fumiers, lisiers…) -urbains (déchets verts, boues d'épuration, etc.) - déchets alimentaires Fermentation sans oxygène Digesteur 27
  28. 28. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail 1% e) Le biogaz Mélange méthane/dioxyde de carbone issu de la fermentation anaérobie (sans oxygène) de matière organique pendant une à trois semaines Matière organique : -déchets organiques d'origine agricole (fumiers, lisiers…) -urbains (déchets verts, boues d'épuration, etc.) - déchets alimentaires Fermentation sans oxygène Digesteur 28
  29. 29. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail 1% e) Le biogaz Mélange méthane/dioxyde de carbone issu de la fermentation anaérobie (sans oxygène) de matière organique pendant une à trois semaines Matière organique : -déchets organiques d'origine agricole (fumiers, lisiers…) -urbains (déchets verts, boues d'épuration, etc.) - déchets alimentaires Digestat Fertilisant pour CH4 l'agriculture N2 O Digesteur 29
  30. 30. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail 1% e) Le biogaz Mélange méthane/dioxyde de carbone issu de la fermentation anaérobie (sans oxygène) de matière organique pendant une à trois semaines Matière organique : -déchets organiques d'origine agricole (fumiers, lisiers…) -urbains (déchets verts, boues d'épuration, etc.) - déchets alimentaires chauffage production d'électricité Biogaz carburant automobile CO2 injection dans le réseau GDF Digestat Fertilisant pour CH4 l'agriculture N2 O Digesteur 30
  31. 31. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail e) Le biogaz Installation à Migneville en Lorraine Production d'eau chaude - besoins de l'installation - chauffage de l'habitation, - eau chaude sanitaire Cogénérateur (+ chauffage habitations voisines) Production d'électricité Electricité - vendue au réseau électrique Biogaz Digestat - Fertilisation des terres agricoles Fosse de réception des matières Digesteur Cuve de stockage 31
  32. 32. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail e) Le biogaz Station d'épuration de Marquette (Lille) Station Eaux usées Boues Digesteur Biogaz 120000 m3/jour d'épuration 12000 m3/jour 240 m3/jour Biogaz épuré (sans CO2) Production d'électricité et puis valorisé en tant que de chaleur pour la station carburant pour véhicules 32
  33. 33. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail e) Le biogaz Station d'épuration de Marquette (Lille) Station Eaux usées Boues Digesteur Digestat 120000 m3/jour d'épuration 240 m3/jour Fertilisation des terres agricoles 33
  34. 34. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Mise en place du digesteur de démonstration Bec bunsen Stockage du gaz : Digesteur : Chambre à air de voiture Bidon 30L Schéma du montage disponible sur le site de l'EDEN http://www.eden-enr.org/IMG/pdf/Fiche_Biogaz_Digesteur_Demo_EDEN.pdf 34
  35. 35. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Mise en place du digesteur de démonstration Restes de cantine Mirabelles Pommes Eau 35
  36. 36. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Mise en place du digesteur de démonstration + ajout de bactéries méthanogènes … naturellement présentes dans les excréments Poney-Club de La Source 36
  37. 37. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Mise en place du digesteur de démonstration Bec bunsen 24 heures Stockage du gaz : Digesteur : Chambre à air de voiture Bidon 30L 37
  38. 38. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail b) La flamme de prémélange Flamme de gazinière Flamme "plate" Étudiée en laboratoire Produits CO2 , H2O polluants : CO, NOx … mélange Espèces intermédiaires Zone de réaction : H, O, CH ... Front de flamme Réactifs CH4 , O2 air Brûleur Flamme de bec Bunsen biogaz 38
  39. 39. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) La flamme de diffusion Combustible Oxygène Couleur jaune/orange Couleur bleue Zone riche en combustible Zone riche en oxygène 39
  40. 40. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) La formation de suies Contribuent à la salissure des bâtiments Croissance des particules de suies formation des - Réduction de la photosynthèse premières particules - Risques de contamination de la mécanisme inconnu chaine alimentaire Croissance des cycles Véhiculent des produits cancérigènes susceptibles d'être inhalés. Formation du premier cycle Altération du taux de précipitation Rôle catalytique dans la destruction de la couche d'ozone 40
  41. 41. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail d) Les couleurs des flammes Couleur bleue présence de CH Panache bleu au dessus de la flamme présence de CO2 Couleur jaune/orange présence de suies (combustion avec un excès de combustible) Flamme prémélangée Flamme prémélangée suitée Flamme de diffusion (avec un excès de combustible) Toutes les couleurs possibles… ou presque avec ajouts de d'espèces chimiques dans la flamme (métaux par exemple) 41
  42. 42. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail e) Les arrête flammes 2 phénomènes : - physique : pertes de chaleur aux parois - chimique : réactions catalytiques aux parois 42
  43. 43. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Les enjeux sociétaux Production d'énergie : - Réduire les émissions polluantes - Améliorer les rendements énergétiques - Trouver/développer des sources d'énergies alternatives aux combustibles fossiles - Réduire les coûts Sécurité - Sécurité des installations industrielles, nucléaires - Risque incendie, feux de forêt 43
  44. 44. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail b) Les axes de recherche, quelques exemples Formation des polluants dans la combustion Formes alternatives d'utilisation des combustibles Solide Liquide Gaz charbon CTL (Coal To Liquid) gaz de synthèse Risque industriel biomasse BTL (Biomass To Liquid) gaz de synthèse Incendies/explosions/détonations déchets organiques biogaz Intérêts économiques ? écologiques ? Rendement énergétique ? Développement de nouveaux modes de Dynamique de la combustion combustion pour la séquestration du CO2 Instabilités de flammes, effets mécaniques et Combustion sans flamme, oxycombustion acoustiques générés par les flammes et bien d'autres choses .... 44
  45. 45. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Les domaines d'application Un panel très large : - moteurs à piston, - foyers aéronautiques, - chambres de combustion des moteurs spatiaux, - foyers industriels, - turbines à gaz, - procédés d'élaboration de matériaux, - applications militaires ... 45
  46. 46. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail Améliorer les connaissances sur la chimie de la combustion (méthane et biogaz) pour permettre la production de systèmes plus efficaces et moins polluants : Mise en place d'un dispositif expérimental pour l'analyse des flammes à haute pression (conditions proches des applications industrielles), Analyses expérimentales de flammes de CH4/air et CH4/CO2/air à haute pression. Structure de flamme : Etude de l'évolution des espèces chimiques et de la température le long de la flamme Espèces intermédiaires Réactifs Concentration Température Produits Distance au brûleur Gaz frais Gaz brûlés Brûleur Front de flamme 46
  47. 47. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail Améliorer les connaissances sur la chimie de la combustion (méthane et biogaz) pour permettre la production de systèmes plus efficaces et moins polluants : Mise en place d'un dispositif expérimental pour l'analyse des flammes à haute pression (conditions proches des applications industrielles), Analyses expérimentales de flammes de CH4/air et CH4/CO2/air à haute pression. Structure de flamme : Etude de l'évolution des espèces chimiques et de la température le long de la flamme Espèces intermédiaires Réactifs Concentration Température 1ère étape : Obtenir des données expérimentales sur un grand nombre de flammes (différentes compositions, différentes pressions) Produits 2ème étape : Comparer les résultats expérimentaux aux résultats simulés à l'aide de mécanismes cinétiques 3ème étape : Améliorer la précision des modèles cinétiques de combustion, notamment en jouant sur les vitesses des réactions chimiques impliquées dans la flamme. brûleur Distance au Gaz frais Gaz brûlés Brûleur Front de flamme 47
  48. 48. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Dispositif expérimental Gaz Zone de Gaz brûlés P≤1atm : Etudes sur un brûleur à flamme plate imbrûlés réaction concentration CH4 réactif CO espèce intermédiaire CO2 produit Distance au-dessus du brûleur 48
  49. 49. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Dispositif expérimental Gaz Zone de Gaz brûlés P≤1atm : Etudes sur un brûleur à flamme plate imbrûlés réaction concentration CH4 réactif CO espèce intermédiaire CO2 produit Distance au-dessus du brûleur 49
  50. 50. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Dispositif expérimental Gaz Zone de Gaz brûlés P≤1atm : Etudes sur un brûleur à flamme plate imbrûlés réaction concentration CH4 réactif CO espèce intermédiaire CO2 produit Distance au-dessus du brûleur 50
  51. 51. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Dispositif expérimental Gaz Zone de Gaz brûlés P≤1atm : Etudes sur un brûleur à flamme plate imbrûlés réaction concentration CH4 réactif CO espèce intermédiaire CO2 produit Distance au-dessus du brûleur 51
  52. 52. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Dispositif expérimental Gaz Zone de Gaz brûlés P≤1atm : Etudes sur un brûleur à flamme plate imbrûlés réaction concentration CH4 réactif CO espèce intermédiaire CO2 produit Distance au-dessus du brûleur 52
  53. 53. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Dispositif expérimental Chromatographie en phase gazeuse H2, O2, N2, CO, CH4 Vanne trois voies Echantillon Tamis moléculaire Détecteurs gazeux TCD et FID CO2, H2O, CH2O, H2, O2, CO2, H2O, CH2O, et N2, CO, CH4 et hydrocarbures légers Poraplot hydrocarbures "légers" (C1, C2, C3) (C1, C2, C3) Perte de charge 53
  54. 54. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Dispositif expérimental Spectroscopie Infrarouge à transformée de Fourier Laser Détecteur miroir Echantillon gazeux cellule 54
  55. 55. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail b) Exemples de résultats CH4/Air (Φ=1,4 P=1atm) 0,20 0,20 0,15 0,15 Fraction molaire Fraction molaire 0,10 0,10 H2O O2 0,05 CH4 0,05 CO2 0,00 0,00 0 0,1 0,2 0,3 0 0,1 0,2 0,3 Distance au-dessus du brûleur (cm) Distance au-dessus du brûleur (cm) Symboles = expériences 0 0,1 0,2 0,3 cm Brûleur 55
  56. 56. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Présentation des codes de calcul PREMIX/OPPDIF pour la modélisation des flammes Contient les constantes nécessaires aux Contient les coefficients nécessaires au calculs de vitesses de réactions chimiques calculs de Cp, H° et S° de chaque espèce Contient les coefficients nécessaires au calculs de transport (viscosité, conductivité thermique, coefficient de diffusion, etc.) 12/05/2010 56
  57. 57. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Présentation des codes de calcul PREMIX/OPPDIF pour la modélisation des flammes Contient les constantes nécessaires aux Contient les coefficients nécessaires au calculs de vitesses de réactions chimiques calculs de Cp, H° et S° de chaque espèce Pour la combustion du méthane, les mécanisme cinétiques de combustion regroupent environ 300 réactions et 50 espèces. Contient lesCes chiffres peuvent varier de façon très importante selon le combustible coefficients nécessaires au calculs de transport (viscosité, conductivitéet la précision du modèle. considéré thermique, coefficient de diffusion, etc.) 12/05/2010 57
  58. 58. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail d) Comparaison expérience / simulation CH4/Air (Φ=1,4 P=1atm) 0,20 0,20 Fractions molaires Fractions molaires 0,15 0,15 0,10 O2 0,10 H2O 0,05 CH4 0,05 CO2 0,00 0,00 0 0,1 0,2 0,3 0 0,1 0,2 0,3 Distance au dessus du brûleur (cm) Distance au dessus du brûleur (cm) Symboles = expériences Dagaut et col. 0 0,1 0,2 0,3 cm UCSD GRI-Mech 3.0 Brûleur 58
  59. 59. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail d) Comparaison expérience / simulation CH4/Air (Φ=1,4 P=1atm) 0,20 0,20 Fractions molaires Fractions molaires 0,15 0,15 2 problèmes à haute pression (≥1 atm) 0,10 O La flamme se stabilise très2 près du brûleur -> nécessité d'éloigner la flamme 0,10 H2O 0,05 CH4 0,05 Le front de flamme devient très fin -> nécessité d'avoir une bonne résolution spatiale CO2 0,00 0,00 0 0,1 0,2 0,3 0 0,1 0,2 0,3 Distance au dessus du brûleur (cm) Distance au dessus du brûleur (cm) Symboles = expériences Dagaut et col. 0 0,1 0,2 0,3 cm UCSD GRI-Mech 3.0 Brûleur 59
  60. 60. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail a) Structure de flamme à haute pression 2 problèmes à haute pression (≥1 atm) La flamme se stabilise très près du brûleur -> nécessité d'éloigner la flamme -> Emploi de brûleurs à contre-courants Le front de flamme devient très fin -> nécessité d'avoir une bonne résolution spatiale -> Analyses par diagnostiques laser 60
  61. 61. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail b) Dispositif expérimental 61
  62. 62. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Technique de mesure, la Fluorescence Induite par Laser Système de détection et de quantification non intrusif Permet de mesurer les espèces minoritaires et la température Sensibilité de détection élevée Permet de faire des analyses avec une résolution spatiale élevée (100 µm dans notre cas) Etat excité Etat fondamental 62
  63. 63. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Technique de mesure, la Fluorescence Induite par Laser Système de détection et de quantification non intrusif Permet de mesurer les espèces minoritaires et la température Sensibilité de détection élevée Permet de faire des analyses avec une résolution spatiale élevée (100 µm dans notre cas) Etat excité Etat fondamental 63
  64. 64. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Technique de mesure, la Fluorescence Induite par Laser Système de détection et de quantification non intrusif Permet de mesurer les espèces minoritaires et la température Sensibilité de détection élevée Permet de faire des analyses avec une résolution spatiale élevée (100 µm dans notre cas) Etat excité Emission stimulée Emission spontanée Désexcitation N2B21Uν N2A21 collisionnelle N2Q21 Etat fondamental 64
  65. 65. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail c) Technique de mesure, la Fluorescence Induite par Laser Système de détection et de quantification non intrusif Permet de mesurer les espèces minoritaires et la température Sensibilité de détection élevée Permet de faire des analyses avec une résolution spatiale élevée (100 µm dans notre cas) Etat excité Emission stimulée Emission spontanée Désexcitation N2B21Uν N2A21 collisionnelle N2Q21 Etat fondamental L'analyse du signal de fluorescence permet de déduire la concentration de l'espèce ciblée 65
  66. 66. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail d) Exemples de résultats, profils du radical OH dans les flammes CH4/air Φ=0,7 P=1 atm CH4/air Φ=0,7 P=7 atm 1,2 5,E-03 1,2 2,5E-03 [OH] expérimental (u.a.) [OH] expérimental (u.a.) 1,0 4,E-03 1,0 2,0E-03 ( ( 0,8 0,8 [OH] simulée [OH] simulée 3,E-03 1,5E-03 0,6 0,6 2,E-03 1,0E-03 0,4 0,4 0,2 1,E-03 5,0E-04 0,2 0,0 0,E+00 0,0 0,0E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Distance par rapport au brûleur du bas (cm) Distance par rapport au brûleur du bas (cm) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Brûleur du bas Brûleur du haut 66
  67. 67. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail d) Exemples de résultats, profils du radical OH dans les flammes CH4/air Φ=0,7 P=1 atm CH4/air Φ=0,7 P=7 atm 1,2 5,E-03 1,2 2,5E-03 [OH] expérimental (u.a.) [OH] expérimental (u.a.) 1,0 4,E-03 1,0 2,0E-03 ( ( 0,8 0,8 [OH] simulée [OH] simulée 3,E-03 1,5E-03 0,6 0,6 2,E-03 1,0E-03 0,4 0,4 0,2 1,E-03 5,0E-04 0,2 0,0 0,E+00 0,0 0,0E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Distance par rapport au brûleur du bas (cm) Distance par rapport au brûleur du bas (cm) Décalage entre la position du gradient 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 de concentration de OH expérimental et modélisé à haute pression Amélioration du mécanisme Brûleur du bas Brûleur du haut cinétique nécessaire ? 67
  68. 68. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail d) Exemples de résultats, profils du radical OH dans les flammes CH4/air Φ=0,7 P=1 atm CH4/air Φ=0,7 P=7 atm 1,2 5,E-03 1,2 2,5E-03 [OH] expérimental (u.a.) [OH] expérimental (u.a.) 1,0 4,E-03 1,0 2,0E-03 Mesures à venir sur les flammes de biogaz (ajout de 40% de CO2 dans le combustible CH4) ( ( 0,8 0,8 [OH] simulée [OH] simulée 3,E-03 Contribuer à améliorer les connaissances en combustion à haute pression (se rapprocher 1,5E-03 des 0,6 0,6 domaines d'application) 2,E-03 1,0E-03 0,4 0,4 Une meilleure connaissance de la chimie de la combustion des hydrocarbures permet d'établir les 0,2 conditions pour lesquelles la combustion sera plus0,2 1,E-03 efficace (combustion "complète") et pour 5,0E-04 lesquelles la formation des polluants sera moins importante. 0,0 0,E+00 0,0 0,0E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Distance par rapport au brûleur du bas (cm) Distance par rapport au brûleur du bas (cm) Décalage entre la position du gradient 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 de concentration de OH expérimental et modélisé à haute pression Amélioration du mécanisme Brûleur du bas Brûleur du haut cinétique nécessaire ? 68
  69. 69. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail Φ=0,7 Φ=1 Φ=1,3 P=1 atm P=5 atm => Observation d'une émission rouge dans les flammes à haute pression 69
  70. 70. I. Climat/énergie II. La Biomasse III. Quelques expériences IV. CNRS V. Mon travail P=1 atm P=1 atm P=3 atm P=3 atm P=5 atm P=5 atm P=7 atm ν’1=3 ν’2=0 ν’3=1 P=1 atm ν’ =2 ν’ =1 ν’ =1 1 2 3 P=3 atm P=5 atm P=7 atm ν’1=1 ν’2=0 ν’3=3 Schefer et al., Combust. Flame 156 (2009) 1234-1241 ⇒ Une émission similaire a déjà été observée et dans des flammes d'hydrogène et ont été attribuée à H2O* ⇒ Les principales têtes de bandes d'émission sont recensées dans l'ouvrage de Gaydon (Identification of molecular spectra, 1950) 12/05/2010 70 70
  71. 71. Gabriel Bergounioux Directeur de l'Institut des Lettres de l'université d'Orléans Laure Pillier Chargée de recherche au laboratoire ICARE Stephanie De Persis Maître de conférence à l'université d'Orléans Laurent Catoire Professeur à l'université d'Orléans Julien Molet Doctorant Pierre Delrez Ingénieur à l'EDEN Pierre Labeyrie Directeur de l'association EDEN et Elodie Delas 71
  72. 72. 72

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