Aujourd’hui, l’essentiel des discussions médiatiques et politiques sur la transition énergétique porte sur les choix autour du système de production électrique. Pourtant, la combustion représente encore 90 % de l’énergie consommée à l’échelle mondiale, dont 80 % d’origine fossile. Il faut donc prendre conscience que, bien qu’elle soit à la base du problème climatique, la combustion doit faire partie de la solution. Une autre propriété saillante de la transition énergétique en cours est que la production électrique intègre de plus en plus d’énergies renouvelables dites fatales, qui ne fournissent pas de l’énergie sur demande : celles-ci produisent de l’électricité décarbonée quand il y a du vent ou du soleil. Cela pose des problèmes de gestion du réseau électrique, car la quantité d’électricité qui y rentre (production) doit être égale à celle qui en sort (consommation).
Dans ce contexte, les combustibles de synthèse fabriqués avec de l’électricité décarbonée (e-fuels) sont une voie prometteuse pour lisser les pics de production électrique et stocker cette énergie à long terme. Une partie de l’énergie initiale peut être restituée sur demande via la combustion d’e-fuels. Ceux-ci sont également prometteurs pour les secteurs difficiles à électrifier tels que l’industrie lourde, en particulier les fours industriels (production de verre, de ciment, d’acier) et l’aviation. Par exemple, les carburants d’aviation durable (SAF en anglais) sont intéressants pour remplacer le kérosène fossile pour les vols long-courriers. L’ammoniac (NH3), une des dix molécules les plus produites pour l’industrie, est très étudié parce qu’elle ne rejette pas de dioxyde de carbone (CO2) lors de sa combustion et que nous savons déjà la transporter à l’échelle mondiale. L’ammoniac offre également la possibilité du transport intercontinental de l’e-fuel qui nous intéresse ici : le dihydrogène (H2, simplifié en « hydrogène »).
1. L’hydrogène : une molécule aux propriétés hors normes pour la combustion
La combustion de l’hydrogène est, comme les autres formes de combustion, une réaction chimique exothermique : des molécules réactives contenant de l’énergie dans leurs liaisons chimiques se recombinent pour former d’autres molécules de moindre énergie chimique, la différence d’énergie étant relâchée sous forme de chaleur. C’est en étudiant la combustion H2/O2 (dioxygène), donnant de l’eau et de la chaleur que le chimiste français Antoine Lavoisier pose les bases de la science de la combustion en 1789. Pourtant, si la combustion de l’hydrogène est connue de longue date, les propriétés uniques de cette molécule en font un objet d’étude ambitieux pour les ingénieurs et chercheurs en combustion du XXIe siècle.
L'auteur du cahier technique
Quentin Douasbin, chercheur en combustion au Cerfacs, équipe Énergie et Sécurité
Pour commencer, la première qualité d’un bon combustible est sa densité énergétique. La densité énergétique massique de l’hydrogène est supérieure à tous les hydrocarbures : 142 millions de joules par kg (MJ/kg). Dit autrement, 1 kg d’hydrogène contient assez d’énergie pour hisser une masse de 50 tonnes en haut de la tour Eiffel. À titre de comparaison, le gaz naturel et le kérosène ne contiennent respectivement que 54 et 43 MJ/kg. Cependant, l’hydrogène est très peu dense : il faut un grand volume de H2 pour obtenir 1 kg. Ainsi, en conditions standard de pression et de température (1 bar, 25 °C), un litre d’hydrogène contient seulement 10 kJ. Afin d’augmenter l’énergie par unité de volume, deux stratégies sont possibles : rendre l’hydrogène liquide à pression atmosphérique en le refroidissant à température cryogénique (- 253 °C) ou le stocker à haute pression.
Une deuxième caractéristique de l’hydrogène est sa large plage de flammabilité : une flamme ne peut exister que si les réactifs sont mélangés dans certaines proportions. Entre 5 et 15 % de gaz naturel (en volume, le reste étant de l’air) suffisent pour entretenir une combustion. Pour l’hydrogène, cette plage de flammabilité est grandement étendue, de 4 à 75 %. De plus, les flammes d’hydrogène sont véloces : elles se propagent dix fois plus vite que les flammes de gaz naturel. Il existe un lien direct entre vitesse de flamme et la quantité de carburant consommé, et donc la puissance thermique relâchée : si une flamme de 1 cm2 avance de 1 cm en 1 seconde, tout le carburant contenu dans le volume parcouru (ici 1 cm3) est consommé en 1 seconde. D’autre part, pour démarrer une combustion, une énergie minimum doit être présente. Dans l’air, la quantité minimum d’énergie pour l’hydrogène est quinze fois plus petite que pour du gaz naturel ; dans certains cas, l’électricité statique suffit.
Enfin, le dihydrogène est la plus petite molécule stable qui soit, lui donnant ainsi la capacité de fuir des réservoirs par des petits interstices. Une autre conséquence de sa faible densité est que, en cas de fuite, la poussée d’Archimède fait « flotter » l’hydrogène dans l’air ambiant, comme des bulles d’air dans l’eau. Dans les espaces confinés, cette propriété concentre l’hydrogène au plafond, ce qui est potentiellement dangereux car des mélanges inflammables sont rapidement formés.
2. Des flammes atypiques
Afin d’éviter d’utiliser des flammes d’hydrogène trop puissantes, une idée mise en avant par de nombreuses équipes dans le monde est de brûler l’hydrogène en combustion dite “pauvre”. Ce régime de combustion s’appelle ainsi car le combustible est le réactif cher (contrairement à l’oxydant qui est de l’air, donc gratuit), et il est limitant. Un autre avantage de ce régime est qu’il réduit la production d’oxydes d’azote (NOx). Ces flammes laminaires d’hydrogène pauvre ont une particularité : il est impossible pour une flamme d’une forme donnée de la garder. On parle de flamme intrinsèquement instable. Pourquoi ces flammes sont-elles instables ? Pour le comprendre, il nous faut aborder un phénomène physique : la diffusion. À travers une flamme, la température change drastiquement. Elle sépare donc deux états distincts : les gaz frais et les gaz brûlés (chauds).
La nature a horreur des discontinuités. Ainsi, garder les gaz frais d’un côté et les gaz brûlés de l’autre est impossible : les gaz brûlés réchauffent les gaz frais (la température diffuse) créant une zone tiède au milieu. Si la flamme venait à s’éteindre, la zone tiède grandirait au cours du temps jusqu’à obtenir une température homogène. Ce processus peut être plus ou moins rapide, on parle de vitesse de diffusion de la température. Le même raisonnement peut être mené pour les espèces chimiques - ici, il y a une certaine quantité de H2 dans les gaz frais et aucun dans les gaz brûlés - on parle de vitesse de diffusion des espèces. Contrairement aux carburants classiques, l’hydrogène diffuse plus vite que la température, créant un déséquilibre H2/température dans la flamme.
Pour différentes raisons physiques, une flamme parfaitement plane initialement peut être perturbée : sa surface se plisse. Pour des hydrocarbures classiques tel que le kérosène, la flamme plissée retrouve sa forme initiale après un temps de relaxation. Dans le cas de l’hydrogène (fig. 1), une petite perturbation, ici représentée sous forme d’une ondulation sinusoïdale, donne lieu à un déséquilibre entre la diffusion de l’hydrogène et celle de la température.
Florent Robert Si l’on parcourt la surface de flamme, on voit que dans les zones convexes il y a localement moins d’hydrogène que le long de la flamme plane initiale. En conséquence, la flamme brûle moins d’hydrogène à cet endroit et sa propagation y est ralentie. L’effet inverse se produit dans les zones concaves, où plus d’hydrogène est brûlé et où la flamme se propage plus vite. Ce différentiel de propagation vient étirer la flamme : sa surface augmente, ce qui fait qu’elle consomme plus d’hydrogène par unité de temps. De plus, l’effet de courbure de la surface de flamme perturbée augmente ce déséquilibre entre la diffusion de la température et du H2, augmentant à nouveau la consommation de H2. La combinaison de ces deux effets fait que même les flammes avec très peu d’hydrogène peuvent se propager très vite et donc produire une plus grande puissance thermique.
Dans tous les moteurs, la puissance est modulée en grande partie grâce à la turbulence. Ce phénomène correspond à un écoulement chaotique, composé de tourbillons de tailles variées — de l’échelle du moteur jusqu’à quelques millièmes de millimètre. En plus de mélanger très efficacement le combustible et l’air, ces tourbillons perturbent la flamme, qui s’enroule autour d’eux. Comme les alvéoles des poumons, qui offrent une immense surface d’échange entre l’air et le sang, la turbulence augmente fortement la surface de contact entre la flamme et les gaz frais. Cela permet à la flamme de consommer beaucoup plus de carburant. Pour de l’essence, une surface de flamme 100 fois plus grande permet ainsi de brûler environ 100 fois plus de combustible. Cela explique qu’un moteur au ralenti brûle peu d’essence, tandis qu’à pleine vitesse, la turbulence augmente, la surface de flamme aussi, permettant de brûler un débit bien plus important et donc de produire plus de puissance.
En ce qui concerne l’hydrogène, les flammes turbulentes vont très vite. Tellement vite que la vitesse de consommation d’une flamme turbulente d’hydrogène ne peut pas être expliquée uniquement par l’augmentation de surface turbulente. Pour étudier la propagation de la flamme, les chercheurs, notamment au Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique (Cerfacs), font des simulations numériques de haute fidélité sur des supercalculateurs contenant des milliers de processeurs pour calculer la physique de cette flamme (fig. 2). Ainsi, les équations qui régissent ces flammes sont résolues avec un très haut degré de confiance et les chercheurs peuvent comprendre ce qui pilote réellement ces flammes.
Florent Robert Dans un canal, un écoulement allant de gauche à droite est simulé. Il a une vitesse moyenne ainsi que des fluctuations autour de cette moyenne, signature de la turbulence. En réponse, la flamme se plisse et consomme plus d’hydrogène. Si la vitesse moyenne de l’écoulement en entrée est plus petite que la vitesse de propagation de la flamme turbulente, celle-ci remonte l’écoulement. Si, au contraire, la vitesse de propagation de la flamme est plus faible, celle-ci recule. Enfin, la flamme reste stable quand la vitesse de l’écoulement est égale (en valeur absolue) à la vitesse de la flamme. Cela permet de déterminer combien de combustible cette flamme brûle vraiment dans un moteur et pourquoi. Dans le cas de l’hydrogène, le Cerfacs a montré, en accord avec les travaux récents d’autres groupes, que la flamme turbulente d’hydrogène consomme plus d’hydrogène que ce qui serait imputable à l’augmentation de surface : chaque morceau de la flamme est lui-même étiré et, comme dans le cas de la flamme laminaire instable (fig. 1), brûle localement plus vite qu’une flamme stable, d’un facteur 3, voire plus dans certains cas.
Afin de concevoir des chambres de combustion H2/air, il est important que les chercheurs développent des modèles pour prédire la consommation sur chaque morceau de flamme en fonction des conditions vues par celle-ci. La flamme laminaire perturbée nous donne une partie de la réponse. Cependant, l’augmentation de surface, différente des combustibles fossiles, reste difficile à modéliser. Pour cela, le Cerfacs a utilisé une approche basée sur les fractales mathématiques. Dit simplement, une fractale est une forme qui se répète à différentes échelles. Par exemple, le chou romanesco a une forme assez reconnaissable. En zoomant sur un bourgeon floral, on remarque qu’il a la même forme. Il en va de même pour les bourgeons composant ce bourgeon. Cela se répète plusieurs fois jusqu’à une certaine échelle.
Florent Robert La turbulence est connue pour sa nature fractale. Avec les simulations de flammes turbulentes (fig. 2), les combustionnistes parviennent à modéliser la nature fractale de celles-ci (fig. 3). En mesurant la longueur d’une flamme sur des photos avec différentes résolutions (nombre de pixels par cm physique), on voit que l’on perd de la surface à mesure que la résolution diminue. Le lien entre les longueurs observées à différentes échelles nous donne les paramètres d’une loi mathématique permettant de connaître la surface totale : ce modèle peut ensuite être utilisé par les ingénieurs pour connaître la surface de la flamme d’hydrogène.
3. Concevoir des moteurs aéronautiques H2/air
Toutes ces propriétés font de l’hydrogène un extraterrestre dans le paysage des combustibles utilisés aujourd’hui. Dans un moteur aéronautique, cela signifie que l’on ne peut pas remplacer du kérosène par de l’hydrogène en croisant les doigts pour que tout fonctionne : il faut concevoir des nouvelles chambres de combustion à partir de zéro. Des nouveaux concepts ont vu le jour ces dernières années. En particulier, la chambre de combustion H2/air Hylon (fig. 4), développée à l’IMFT à Toulouse, a connu un grand succès et est désormais un brûleur à visée aéronautique de référence, étudié par tous les groupes de combustion de l’hydrogène dans le monde.
Florent Robert Comme les flammes H2/air se propagent très vite, il serait dangereux de créer un mélange inflammable avant la chambre et de l’injecter directement : la flamme pourrait ainsi se propager en amont de l’injection et toucher des parties du moteur qui ne sont pas conçues pour tenir en présence de flammes. Afin d’éviter cela, on injecte le H2 et l’air séparément, cela crée une flamme dite non-prémélangée avec l’air d’un côté de la flamme et le H2 de l’autre. Comme pour le moteur de voiture, un moteur aéronautique doit pouvoir parcourir une large plage de puissance. Une manière de stabiliser une flamme est de mettre un accroche-flamme : un obstacle dans l’écoulement. Comme le pilier d’un pont au milieu d’une rivière, l’obstacle crée une zone de recirculation : une forme de bulle où la vitesse est faible et de direction opposée à l’écoulement principal. Dans un moteur, cela protège la flamme qui peut se stabiliser même lorsque l’écoulement est rapide (haute puissance).
Cependant, cela signifie qu’un matériau doit résister à la présence de la flamme proche. En pratique, le même effet peut être obtenu via un mouvement rotatif autour de l’axe de symétrie des injecteurs, on appelle ça le swirl. Dans Hylon, l’air et le H2 sont swirlés séparément avant d’être injectés dans la chambre, créant ainsi un mouvement de « toupie » à l’entrée de la chambre de combustion. Cela provoque des zones de recirculation dans les coins et au centre. Non seulement, ces zones de basse vitesse aident la flamme à se stabiliser dans des zones calmes, mais, en plus, elles amènent des gaz brûlés chauds à la base de la flamme : cela dope la flamme qui devient plus réactive, ce qui la stabilise également.
4. Sécurité industrielle
Les propriétés uniques de l’hydrogène demandent un deuxième cadre d’étude : la combustion non souhaitée à la suite d’une fuite accidentelle. Ici, deux scénarios d’allumage de fuite sont considérés : un allumage quand la fuite débute et un allumage longtemps après.
Comme dit plus haut, la faible densité du H2 nécessite souvent de le stocker à haute pression. On dépasse généralement deux fois (parfois bien plus) la pression atmosphérique. Ce seuil est important car à ce niveau de pression toute fuite provoque une physique particulière : un jet supersonique. Dans ce cas, un train d’ondes de choc se développe (fig. 5). Ces chocs (région supersonique) interagissent entre eux et provoquent un écoulement turbulent (région subsonique) qui pilote le mélange entre l’hydrogène pur (au centre du jet) et l’air pur (en dehors du jet). Plus l’écoulement est turbulent, plus un mélange inflammable se crée rapidement !
Florent Robert Si on allume ce jet immédiatement, une flamme se développe et vient se stabiliser à une hauteur donnée de la fuite. Du fait de sa très grande inertie, le jet supersonique d’hydrogène est très droit : il forme un cône quasi cylindrique allant de la fuite vers le haut. Celui-ci a le diamètre de la fuite en bas et s’ouvre très doucement à mesure que l’on s’en éloigne. Seul le H2 mélangé à de l’air dans les bonnes proportions peut brûler, ainsi la flamme jet peut être très longue : pour une fuite de 1 mm de diamètre on s’attend à une flamme d’une longueur de l’ordre du mètre. En termes de sûreté industrielle, il est important de prédire la hauteur de stabilisation de la flamme (fig. 5), sa longueur et, si celle-ci impacte une pièce d’un moteur, le chargement thermique sur cette pièce afin de savoir combien de temps celle-ci peut tenir dans ces conditions.
Un autre scénario d’intérêt est le cas contraire : on allume tardivement, après qu’une grande quantité d’un mélange inflammable H2/air a eu le temps d’être créé par la turbulence. Dans ce scénario, la fuite peut même avoir été détectée et les vannes fermées. Si on attend suffisamment longtemps, la turbulence se dissipe totalement et l’écoulement est au repos. Prenons l’exemple d’une boîte ouverte d’un côté, ici en haut (fig. 6).
Florent Robert L’allumage contre le mur en bas provoque la création d’une flamme laminaire hémisphérique. En brûlant, les gaz deviennent moins denses via l’expansion thermique. Cela augmente le volume pris par la quantité de masse de gaz, ce qui augmente la pression et, tel un piston, met les gaz frais en mouvement (Fig. 6b). Derrière les obstacles présents, comme derrière le pilier du pont, des zones de recirculation sont créées. Cela induit une vorticité qui dégénère en écoulement turbulent. Plus la flamme se propage, plus l’écoulement est rapide, augmentant ainsi le niveau de turbulence dans l’écoulement à chaque instant (Fig. 6c). Au moment de l’interaction flamme/turbulence (Fig. 6d), une grande surface de flamme est créée subitement et chaque morceau de la flamme turbulente d’hydrogène brûle plus intensément. Ainsi, la flamme consomme de l’hydrogène plus rapidement, accélérant encore plus l’écoulement. Cela continue ainsi, faisant un effet “boule de neige”, à tel point que la pression générée par la flamme devient conséquente. Même dans une boîte de petit volume, ici 3 litres, l’hydrogène génère une forte augmentation de pression menant à une force équivalente à 10 tonnes par mètre carré, soit 12 fois supérieure au gaz naturel.
5. Perspectives
Le dihydrogène est une molécule aux propriétés exceptionnelles qui, comme d’autres e-fuels, peut apporter une flexibilité du système de production électrique et servir de vecteur énergétique dans les secteurs difficiles à électrifier tels que les industries lourdes et l’aviation. Pour cela, les scientifiques doivent revoir l’ensemble des modèles utilisés à ce jour pour concevoir des systèmes de combustion sûrs et efficaces. Les instabilités intrinsèques présentes dans la combustion de l’hydrogène pauvre et la réponse de ces flammes à la turbulence sont au cœur de cette recherche en combustion. Celle-ci est organisée en trois volets : la théorie, la simulation numérique et l’expérience. Les trois doivent travailler de concert afin d’accélérer la transition énergétique autant que possible. En particulier, dans de nombreux projets européens et nationaux, la recherche en simulation numérique de haute fidélité menée au Cerfacs (Toulouse) sur les brûleurs aéronautiques et les scénarios accidentels est complémentaire des expériences menées à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) : à chaque expérience correspond une simulation, à chaque simulation correspond une expérience. Ainsi les modèles numériques sont vérifiés sur les résultats expérimentaux et, contrairement à l’expérience, donnent accès à toutes les variables d’intérêt en chaque point de l’espace et à chaque instant, ce qui est idéal pour comprendre finement la physique pilotant ces flammes.
Cette démarche complémentaire a été menée depuis des décennies pour la combustion aéronautique mais, à cause des conditions destructrices des scénarios d’explosion qui pourraient endommager les équipements coûteux mais nécessaires aux expériences, cela n’a été mis en place qu’à la marge sur le volet “sûreté”. Cependant, les propriétés uniques du H2 mettent aujourd’hui ce sujet au centre des considérations dès la conception des nouveaux systèmes de combustion. C’est pour cela que le Cerfacs et l’IMFT travaillent désormais à développer ces recherches.
Face au défi climatique, l’hydrogène suscite beaucoup d’intérêt. Ses propriétés uniques en font un vecteur énergétique atypique et un extraterrestre dans le paysage des combustibles. Il ne peut pas être utilisé sans modifications majeures des systèmes de combustion actuels, afin qu’ils soient sûrs et efficaces. Les scénarios de fuites accidentelles d’hydrogène et leurs conséquences potentiellement destructrices en cas d’allumage doivent aussi être étudiés dès la conception des nouveaux systèmes de combustion à l’hydrogène.
