Développement d'un générateur automatique de modèles cinétiques pour la stabilité à l'oxydation et les polluants de combustion des biocarburants durables

Development of an automatic generator of kinetic models for the oxidation stability and combustion pollutants of sustainable biofuels

• Auteur / Autrice : Fabiola Citrangolo destro
• Direction : Baptiste Sirjean, René Fournet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés, des Produits et des Molécules
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 4 - CITHERE - Cinéthique et Thermodynamique pour l'Energie

Mots clés

Mots clés libres

Biocarburants

Modèles cinétiques

Stabilité à l'oxydation

Biofuels

Kinetic models

Oxidation stability

Résumé

Plusieurs secteurs du transport, comme l'aviation ou le fret routier, reposent sur des moteurs à combustion qu'il est très difficile, voire impossible, de remplacer par l'énergie électrique. Pourtant ces secteurs sont des sources majeures de gaz à effet de serre. Par exemple, dans un scénario 'business as usual', le secteur mondial de l'aviation devrait multiplier ses émissions actuelles de CO2 par un facteur 6, en seulement 30 ans. Les carburants durables, produits à partir de la biomasse (biocarburants), qui sont opérationnels dans les moteurs actuels, constituent une solution de choix pour réduire l'empreinte carbone de ces secteurs. Toutefois, la faible résistance des biocarburants à l'oxydation en phase liquide, qui est la principale cause du vieillissement, est un problème majeur qui empêche, par exemple, leur utilisation directe dans l'aviation. Le vieillissement modifie la composition des biocarburants et entraîne des effets cocktail qui modifient leurs propriétés physiques, neutralisent les antioxydants et peuvent finalement créer des polluants de combustion nocifs. Dans le cadre du projet européen 'BioSCOPE', ce travail de thèse contribuera au développement d'un générateur automatique de modèles cinétiques d'oxydation en phases liquide et gaz, capables de simuler au niveau moléculaire ces effets cocktails. Dans ce travail, le calcul automatique des données thermodynamiques et cinétiques des phases gazeuse et liquide sera réalisé en utilisant des méthodes de chimie computationnelle adaptées aux calculs à haut débit. De nouveaux algorithmes et bases de données pour calculer automatiquement ces données thermocinétiques seront développés. Les modèles cinétiques générés avec le nouveau code seront validés par rapport aux données expérimentales du projet et de la littérature.

Several transport sectors, such as aviation or road freight, rely on combustion engines that are very difficult or impossible to replace with electric energy, and these sectors are major sources of greenhouse gas. For example, in a “business as usual” scenario, the worldwide aviation sector is expected to multiply its current CO2 emissions by a factor of 6, within only 30 years. Sustainable fuels produced from biomass (biofuels), which are operational in current engines, are a solution of choice to reduce the carbon footprints of these sectors. However, the poor resistance of biofuels to liquid phase oxidation, which is the main cause of aging, is a major problem that prevents, for instance, their direct use in aviation. Aging changes the composition of biofuels and leads to cocktail effects that change their physical properties, neutralize antioxidants, and can ultimately create harmful combustion pollutants. To understand, simulate and control these cocktail effects it is necessary to take into account the complex chemical mechanism underlying these phenomena. The rigorous simulation of fuel oxidation requires the use of kinetic models that contain thousands of species and reactions. Automatic generation softwares are powerful chemo-informatics tools to develop and manipulate these models. Within the European project “BioSCOPE”, this PhD work will contribute to the development of an automatic generator of kinetic models for gas and liquid-phase oxidation, able to simulate these cocktail effects at the molecular level. In this work, the automatic calculation of gas- and liquid-phase phase thermodynamic and kinetic data will be achieved using computational chemistry methods adapted for high throughput calculations. The development of new algorithms and databases to automatically calculate these thermo-kinetic data will also be performed during this PhD. The kinetic models generated with the new code will be validated against experimental data of the project and from the literature.