L’Ammoniac : un combustible pour une décarbonisation

SéminaireL’ammoniac : vecteur énergétique pour demain?

L’Ammoniac : un combustible pour une décarbonisation partielle ou

totale des systèmes énergétiques : enjeux - verrous

Prof Christine [email protected]

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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


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 ?

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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


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


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


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? Très forte dynamique autour du sujet


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)

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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]


- 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


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)


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


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Quelques exemples : injection

Problématique Injection Liquide importante :- Chaleur de vaporisation

importante- Flash boiling- ex MAN prévoit 600-700 b

injection

LTEn


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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)


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Quelques exemples : Flammes

Spectre d’émission NH3/air R=1Visualisation par chimiluminescence d’une flamme NH3/Air

perturbée acoustiquement : effets locaux d’étirement


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

Documents

L’Ammoniac : un combustible pour une décarbonisation