View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
L’Ammoniac : un combustible pour une décarbonisation partielle ou
totale des systèmes énergétiques : enjeux - verrous
Prof Christine Roussellechristine.rousselle@univ-orleans.fr
1
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
3
corrosive, toxique
- Conditions «ambiantes» : gaz incolore- Produit une fumée de condensation à haute concentration- Odeur très désagréable :
- détectable par l’humain ‘5 à 100 ppm- dangereux >300 ppm- pas cancérigène
- Risques (explosion, …) = essence/GPL
• Ammoniac = HYDROGENE azoté = AUTRE HYDROGENE• 2nde espèce chimique produite et distribuée à travers le monde
(180 Mt/an)• Production locale facile• Infrastructure existante
Pourquoi NH3 ?
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain? Solutions de stockage
Stockage chimique (hydrogène, ammoniac, méthane,
méthanol, hydrates, …) Barrages hydrauliques
Systèmes thermo-mécaniques
(air comprimé …)
Batteries (Li-Ion, NiCd,
NIMH ..)Volants d’inertie
Super condensateurs
Batteries nouvelles
générations
Mois
Semaines
Jours
Heures
Minutes
Secondes
1 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW
Durée de stockage
Puissance stockée
STOCKAGE CHIMIQUE=
‘Electro-fuels, e-fuels’=espèces chimiques à densité énergétique
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
Marc Farlane et al., A roadmap to the Ammonia Economy, Joule 2020
Une vision optimisée
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain? Pourquoi ou pourquoi pas l’Ammoniac ?
6
H2 Méthane Méthanol Essence NH3 Jet-A1
Point d’ébullition (°C) à Patm -253 -162 65 27-225 -33 176Densité
(20°C, 1 bar) (kg/m3) 0,08 0,66 790 740 0,71 (G) 800
Forme standard de stockage gaz ou Liquide gaz liquide liquide gaz ouLiquide liquide
Pression de stockage à 20°C enliquide 700 250 1 1 8,6 3
Densité conditions de stockage (kg/m3) 39.7 194 790 740 610 800
Densité énergétiqueaux conditions de stockages (MJ/l) 4.76 9.70 15.72 32 11.47 34,9
Chaleur latente de vaporisation(kJ/kg) 461 510 1168 180-350 1370
3 fois plus que GPL
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
Hydrogène Méthane Méthanol Essence Jet A1 Ammoniac conséquences
Chaleur de combustion (MJ/kg) 120 49 19.9 44 18.8 43,2
Rapport air/carburant à la stoéchiométrie (kg/kg) 34.2 17.65 6.46 14.6 14,8 6.06
consommation élevée : taille des
réservoirsLimité d’inflammabilité dans l’air(vol.%) 4.5-75 5-15 6.7-36 1.3-7.6 0.6-6.5 15-30 Réduite : peu de
risque d’explosionVitesse de combustion (cm/s) 210 38 40 ~40 100 7 Très faible Température d’auto-inflammation (°C) 537 595 465 275 210 651 Peu de risquesIndice d’octane (-) >120 120 109 88-98 ~100 >120 Pas de cliquetis
Température de flame adiabatique (°C) 2519 2326 2228 2392 2500 2107Flamme
légèrement plus froide
caractéristiques de combustion de l’ammoniac
Ammoniac comme combustible :un challenge
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
1940BelgiqueNH3/’Gazogéne’ de charbon10 000 miles
1960-1966US ArmyRecord fusée
2007-2012 : Michigan UniversityNH3/Essence,3 800 km
2013 : Central Valley, California, ICE operating an irrigation pump, 1000 h,~ 50% total efficiency
2014: AIST Japan, Gas turbine - Kerosene/NH3
until 30% NH3
- CH4/NH3
- NH3/H2
2012-2015 : KIER, CoréeNH3/EssenceJusqu’à 70% NH3
2017: ChugokuElectric Power co-coal fired boiler until 25% NH3
Ammoniac comme combustible : une longue histoire
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
1940BelgiqueNH3/Gazogène (charbon)10 000 miles
1960-1966US ArmyRocket record
2007-2012 : Michigan UniversityNH3/Essence3 800 km
2013 : Central Valley, California, pompe avec moteur1000 h,~ 50% de rendement
2014: AIST Japan, Turbine à Gaz- kérosène/NH3
jusqu’à 30% NH3
- CH4/NH3
- NH3/H2
2012-2015 : KIER, CoréeNH3/EssenceJusqu’à 70% NH3
2017: ChugokuElectric Power Brûleur à lit fluidisé charbon : jusqu’à 25% NH3
C-Free Run project, Hydrogen Engine Center (Iowa), 2018
Università di PisaItaly, 2013
Marangoni Toyota GT-86 Eco-Explorer, 2013
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
Technologies (rendement
Possibilités testées avec NH3 Challenges R&D focus
Moteurs à combustion interne(30-40%, 50% ?)
Technologie robuste Faisable avec d’autres carburants
(essence, diesel,H2, Gaz Nat, …)
Pur NH3 ou faible H2% Rendement Compromis NOx /NH3
Craquage partiel de NH3 Améliorer/optimiser les techno de combustion
pour NH3 pur Développer des techniques de dépollution
localesTurbine à gaz – cycle combiné(55-60%)
Puissance produite élevée (>1MW) Optimum pour produire de la puissance
durant les pics de consommation Possible avec charbon, méthane
(20-30%) Optimisation possible du cycle complet
(puissance, + chaleur et refroidissement)
• Pur NH3 (petite et moyenne TaG)
• NH3 + %H2 = grande TaG• Limitation des émissions de
NOx• Technologie en développement
Nouveaux types de brûleurs pour une combustion optimale
Craquage partiel (pour grandes puissances) Stratégie pour supprimer NOx Concevoir des Unités à forte puissance
Brûleurs et fours(85-90%)
Technologie très robuste OK pour faible concentration (max 20%)
Augmenter NH3 % Compromis NOx /NH3 Corrosion très forte selon les
gaz ambiants Rayonnement thermique
différent
Améliorer les techno de combustion, d’injection
Nouveaux systèmes (nouveaux matériaux)
11
Ammoniac comme combustible :Les challenges
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain? Quelques exemples
Selon l’injection de NH3
- Diminution CO2- Augmentation ou diminution NOX- Diminution de particules- Impact sur CO
Brûleurs à charbon
air
air
charbon
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain? Quelques exemples
Turbines à Gaz : CH4/NH3, H2/NH3, NH3
The MGT high-swirl combustor [Okafor et al, 2018]
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
- Voitures selon … - Véhicules utilitaires, Camions- Navires, Avions- Groupes électrogènes
Ammoniac
Injection indirecte
Injectiondirecte
mixte
gazliquide
H2
On boardCracker
réservoir
ou
MoteurÀ allumage commandé
Typé diesel
Typé essence
injectiondirecte/indirecte préchambre
NH3/NOx trade-off
démarrage
puissance
Quelques exemplesMoteurs à combustion interne
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
Moteur mono-cylindre2 types : SI / SACI100 % NH3
Quelques exemplesMoteurs à combustion interne
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Moteur essence
Moteur ‘diesel’
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
NO2/NOx <<N2O < 100 ppm (=1%eq. CO2)
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
CHALLENGES Impact et verrous technologiques sur les systèmes réels
VERROUS SCIENTIFIQUES A LEVER
Auto-inflammation difficile Problème démarrage (froid), problème allumage :- Système d’allumage dédié ? Promoteur de combustion (H2?), fort taux de compression
Délais d’auto-inflammation selon forts T,P, large gamme de richesse, mélange (H2,..)Mécanisme cinétique performant Schéma cinétique réduit pour CFD
Limites d’inflammation étroites Problèmes de stabilité/extinctionLimitation en fonctionnement
flamme/étirement, limite d’extinction, NH3 pure + mélangeExpériences dans des systèmes semi-industriels (compréhension phénomène, validation modéles)
Faible réactivité / faible vitesse de propagation Faible rendement de combustion, rendement thermique appauvri, stabilité, ajout d’un promoteur, amélioration/optimisation aérodynamique dédiée, conditions thermodynamiques optimales
Database vitesse des flamme (T,P,Phi, O2, H2 ..)Modélisation cinétique (H2,O2, CH4…)Flamme-turbulence interaction, effet étirement, effet thermique = expérience + modélisation
Forte chaleur latente de vaporisation + spécificité courbe de pression de vapeur saturante
Injection directe, injection liquide : avantages, pénalité en puissance …Optimisation du design
Flash boiling ? Processus d’atomisation et d’évaporation
Azote présent dans la molécule de NH3 Émissions à l’échappement potentiellement importante N2O, NOX, NH3. Système post-traitement dédiée
Modèles cinétiques. Recherche de modes de combustion à faibles émissions.
Ammoniac comme e-fuel :Les verrous scientifiques pour la combustion
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
17
Quelques exemples : injection
Problématique Injection Liquide importante :- Chaleur de vaporisation
importante- Flash boiling- ex MAN prévoit 600-700 b
injection
LTEn
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
18
flamme fortement déformée, non sphérique, extinction locale ?
Quelques exemples : Flammes
Turb
ulen
t fla
me
spee
d re
late
dto
lam
inar
flam
e sp
eed
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain? Quelques exemples :Flammes
CH4/H2 Retour de flamme NH3/H2
Limite riche stabilité NH3/H2
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain? Quelques exemples :Flammes
Limite Stabilité CH4/NH3 (10% en Energie)
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
21
Quelques exemples : Flammes
Spectre d’émission NH3/air R=1Visualisation par chimiluminescence d’une flamme NH3/Air
perturbée acoustiquement : effets locaux d’étirement
SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?
CHALLENGES Impact et verrous technologiques sur les systèmes réels
VERROUS SCIENTIFIQUES A LEVER
Auto-inflammation difficile Problème démarrage (froid), problème allumage :- Système d’allumage dédié ? Promoteur de combustion (H2?), fort taux de compression
Délais d’auto-inflammation selon forts T,P, large gamme de richesse, mélange (H2,..)Mécanisme cinétique performant Schéma cinétique réduit pour CFD
Limites d’inflammation étroites Problèmes de stabilité/extinctionLimitation en fonctionnement
flamme/étirement, limite d’extinction, NH3 pure + mélangeExpériences dans des systèmes semi-industriels (compréhension phénomène, validation modéles)
Faible réactivité / faible vitesse de propagation Faible rendement de combustion, rendement thermique appauvri, stabilité, ajout d’un promoteur, amélioration/optimisation aérodynamique dédiée, conditions thermodynamiques optimales
Database vitesse des flamme (T,P,Phi, O2, H2 ..)Modélisation cinétique (H2,O2, CH4…)Flamme-turbulence interaction, effet étirement, effet thermique = expérience + modélisation
Forte chaleur latente de vaporisation + spécificité courbe de pression de vapeur saturante
Injection directe, injection liquide : avantages, pénalité en puissance …Optimisation du design
Flash boilling ? Supercritique ? Processus d’atomisation et d’évaporation
Azote présent dans la molécule de NH3 Émissions à l’échappement potentiellement importante N2O, NOX, NH3. Système post-traitement dédiée
Modèles cinétiques. Recherche de modes de combustion à faibles émissions.
Ammoniac comme e-fuel :Les verrous scientifiques pour la combustion
Valera-Medina et al., A review on ammonia as a potential fuel: from synthesis to economics, Open Acess, Energy and Fuels, 2021
Recommended