Etude de sensibilité des flammes d'hydrocarbures gazeux hydrogénés à l'accélération dans des canalisations industrielles

Sensitivity analysis of flame acceleration within hydrocabron-hydrogen blended fuels in industrial pipes

• Auteur / Autrice : Alexandre Auvray
• Direction : Christophe Proust, Jérôme Daubech
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/05/2022
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformations intégrées de la matière renouvelable

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogène

Explosion

Flamme

Turbine à gaz

Electrolyseur

Transition énergétique

Hydrogen

Explosion

Flame

Gas Turbine

Electrolyzer

Energy transition

Résumé

Le dihydrogène (H2) est perçu comme un vecteur énergétique clé pour la transition énergétique bas carbone. Ses usages dans les applications stationnaires, notamment pour la production électrique, sont attendus afin de palier l'intermittence inhérente aux nouvelles énergies renouvelables (ENRi), en dévouant une partie du surplus de cette production électrique à l'électrolyse et stockage, permettant ensuite l'usage de l'hydrogène à la demande. L'intérêt que suscite cette solution (« H2-turbine ») auprès des acteurs du domaine semble bien illustré par la dynamique notamment au travers du programme « European Hydrogen Backbone » Dans l'objectif de réutiliser les actifs existants, la stratégie actuellement privilégiée consiste à adapter l'infrastructure gaz naturel entre les bornes suivantes : • sans modifications substantielles mais en maintenant la teneur d'hydrogène en dessous de 20% dans un mélange gaz naturel-H2 ; • en reconvertissant des canalisations existantes (et en en posant de nouvelles) de façon à transporter de l'hydrogène pur. Par comparaison au gaz naturel, le profil « risque » de l'hydrogène est nettement plus sévère. Cela implique de revisiter les analyses de risque pour tenir compte des effets de l'introduction de l'hydrogène à la fois sur l'occurrence d'une explosion ainsi que sur la sévérité de ce phénomène. Les éléments disponibles sur les mélanges H2-CH4 concernent essentiellement la sensibilité à l'inflammation mais il manque des connaissances sur l'effet de l'ajout d'hydrogène sur les conséquences des explosions Le principal objectif de cette thèse est scientifique et concerne les mécanismes d'accélération des flammes, dont le changement de régime (déflagration, choquée, détonation) est la conséquence. Un autre objectif est technique et concerne la caractérisation de l'effet de la réactivité du mélange (qui joue un rôle central) sur le processus d'accélération de la flamme vers les régimes rapides. Ces deux objectifs seront étudiés au travers d'une revue de la littérature, d'une campagne expérimentale afin de combler les manques de données, et suivi d'une phase d'analyse afin de dégager une compréhension du phénomène. Enfin, la thèse vise également le développement d'un outil prédictif des contraintes mécaniques pour les industriels.

The hydrogen is now perceived as an energetic vector for the low carbon energy transition. Its uses for stationnary application is also expected to smooth the intermittent production from renewables energy. To do that, the excess of production will be devoted to electrolysis and storage, allowing a hydrogen use on demand. The interest for this 'H2-turbine' is well illustrated through the 'European Hydrogen Backbone' program. In the aim to reuse the existants, the current strategy targets an adaptation of natural gas infrastructure between : • no infrastructure changes, but with an H2 content in natural gas kept below 20% • existing pipelines conversion (partial replacement) for pure hydrogen transport The hydrogen's risk profile shows a harsher behavior in case of explosion compared to natural gas one . That implies to review the current risk analysis to consider the influence of H2 addition on the explosion occurence and consequences. At the moment, the litterature shows some elements about the flammability of H2-CH4 blended mixtures, but the flame behavior part is still mising. The first goal of this PhD is scientific, and is centered on the flame acceleration mechanism and the propagation's regime transition (déflagration, chocked and detonation). Another objective is technical, and concern the characterization of the reactivity influence on the flame acceleration. These two objectives will be studied through a first litterature review, then an experimental campaign will be carried out to fill the litterature gap, and finally a predictiv tool will be developped for mechanical constraint estimation for industrial use.