Etude expérimentale et numérique du potentiel de l'ammoniac comme carburant vecteur de l'hydrogène dans le cas des moteurs à allumage commandé

Experimental and numerical investigation for the use of ammonia as hydrogen-carrying fuel for spark-ignition engines

• Auteur / Autrice : Charles Lhuillier
• Direction : Christine Rousselle, Francesco Contino
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Orléans en cotutelle avec Vrije Universiteit Brussel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Rousselle, Dany ESCUDIé, Jesper Schramm, Fabian MAUß, Roger Vounckx, Sebastian Verhelst, Francesco Contino, Pierre BRéQUIGNY
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dany ESCUDIé, Jesper Schramm

Mots clés

Mots clés libres

Combustion

Moteur à allumage commandé

Ammoniac

Power-to-Fuel

Energie renouvelable

Hydrogène

Combustion

Spark-ignition engine

Ammonia

Power-to-Fuel

Renewable energy

Hydrogen

Résumé

La transformation substantielle des systèmes énergétiques est nécessaire pour atténuer la menace reconnue du changement climatique d’origine anthropique. En conséquence, des solutions d’adaptation sont à l’étude, parmi lesquelles la conversion d’excédents d’électricité renouvelable intermittente en carburants gazeux ou liquides énergiquement denses via des procédés de Power-to-X. L’ammoniac (NH3) est l’un des carburants les plus prometteurs, ne contenant pas de carbone et bénéficiant de plus d’un siècle d’expertise industrielle et d’une bonne densité énergétique. L’ammoniac a donc été proposé pour alimenter divers dispositifs de combustion malgré sa faible propension à la combustion, illustrée par une faible vitesse de flamme et un allumage difficile. L’objectif de cette thèse est d’explorer le potentiel de l’ammoniac comme carburant renouvelable dans le cas des moteurs à allumage commandé pour la génération de puissance ou la motorisation de moyens de transport. Dans ce but, des expériences sont menées dans différents dispositifs incluant une chambre de combustion sphérique pour l’étude de flammes de prémélange laminaires et turbulentes en expansion, et dans un moteur à allumage commandé (SI) récent. Les résultats démontrent la viabilité de l’ammoniac comme carburant pour les moteurs SI, bien que les performances soient légèrement inférieures à celles obtenues en carburant conventionnel dans les mêmes conditions, et que de forts taux d’oxides d’azote et d’ammoniac imbrûlé soient mesurés à l’échappement. L’ajout d’un combustion promoteur tel que l’hydrogène ou le méthane permet d’améliorer les performances moteur et leur effet est étudié au moyen des expériences de flamme. Une méthodologie est enfin proposée pour évaluer le potentiel de la combustion de l’ammoniac dans des systèmes énergétiques basés sur une forte production d’énergie renouvelable intermittente.

Substantial transformation of the energy systems is necessary to alleviate the well-identified threat of anthropogenic climate change. Thus, adaptation solutions are investigated, among which the conversion of intermittent renewable electricity in energy-dense gaseous or liquid fuels via Power-to-X processes. Ammonia (NH3) is one of the leading candidates, as it benefits from a non-carbon nature, a century-long industrial production, storage and transport practice and a relatively high energy density. Ammonia has been proposed as a fuel for practical combustion systems, in spite of its unfavorable combustion properties, such as low flame speed and difficult ignition. This thesis aims at exploring the potential of ammonia as a renewable fuel in spark-ignition (SI) engines for power generation or mobility purposes. In that purpose, experiments are conducted in different set-ups including a spherical constant-volume chamber for the study of premixed laminar and turbulent expanding flames, and a recent single-cylinder SI engine. The results demonstrate the viability of ammonia as a SI engine fuel, even though the performances are slightly depleted compared to conventional fuel operation under the same conditions, and high nitrogen oxides and unburnt ammonia exhaust emissions are measured. The addition of a combustion promoter such as hydrogen or methane allows to improve the engine performance and their effect is studied by means of the flame experiments. A methodology is finally proposed to evaluate the potential of ammonia combustion for energetic systems based on a high share of intermittent renewable energy production.