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2G-CSAFE — Résultat en bref

Project ID: 291049
Financé au titre de: FP7-IDEAS-ERC
Pays: France
Domaine: Énergie

Un environnement plus propre grâce à une meilleure compréhension des biocarburants

La seconde génération de biocarburants est souvent présentée comme une alternative plus durable aux carburants traditionnels. Dans ce contexte, le projet 2G-CSAFE, financé par l'UE, a étudié leur profil de combustion en utilisant plusieurs techniques en première mondiale.
Un environnement plus propre grâce à une meilleure compréhension des biocarburants
Depuis longtemps, les biocarburants sont présentés comme une solution prometteuse pour répondre à la demande croissante en énergie et en transports, de façon plus sûre et durable que les sources conventionnelles. Les biocarburants de seconde génération (2G), qui proviennent en général de la biomasse végétale ou animale (sources de carbone organique), pourraient fournir un tel approvisionnement au niveau mondial. Les biocarburants de seconde génération constituent une amélioration par rapport à la première génération (produite à partir de sucres et d'huiles végétales) car ils ne présentent pas les mêmes limitations en termes de quantités récupérables.

Mais leur adoption à grande échelle par les industries aéronautique et automobile, par exemple, est freinée par le fait que certains aspects de leur processus de combustion ne sont pas totalement compris. Par contre, le mécanisme d'oxydation/combustion des molécules d'hydrocarbure dans les carburants conventionnels est bien maîtrisé. Ces lacunes sont largement dues au plus grand nombre de structures chimiques intervenant dans la composition des carburants de seconde génération. Le projet 2G-CSAFE, financé par l'UE, a été mis en place pour combler certaines de ces lacunes en développant des modèles cinétiques et en examinant spécifiquement les polluants générés par la combustion, ainsi que les intermédiaires-clés pour l'inflammation des carburants dans les nouveaux moteurs.

La modélisation cinétique

L'équipe du projet 2G-CSAFE a développé plusieurs modèles cinétiques de biocarburants de deuxième génération. En effet, comme l'explique le coordinateur du projet, le Dr Philippe Dagaut, «Un modèle cinétique peut être défini comme un outil numérique qui sera utilisé pour imiter, et éventuellement prévoir, la combustion des carburants.» La composition mixte des biocarburants de seconde génération les rendant particulièrement complexes, l'équipe a utilisé des composés de substitution dans ses modèles, pour extrapoler à partir des résultats obtenus. Comme l'explique le Dr Dagaut, «Grâce aux nombreux efforts effectués depuis les années 1970, les modèles de combustion des hydrocarbures sont relativement faciles à définir. La situation est différente pour les biocarburants de seconde génération: leur structure chimique les fait réagir différemment, aussi bien en termes de taux de réaction ou de réactivité, qu'au niveau des voies de réaction.»

Le projet a étudié plusieurs caractéristiques des biocarburants de seconde génération. Tout d'abord, les réactions chimiques des nombreuses étapes nécessaires à la combustion (depuis le mélange carburant-air jusqu'à la formation de produits terminaux comme l'eau et le dioxyde de carbone, mais également d'espèces imbrûlées comme les composés organiques volatils ou les hydrocarbures polyaromatiques). Les chercheurs ont ensuite étudié les paramètres décrivant le taux de production de chaque réaction chimique.

Selon le Dr Dagaut, cette recherche a été rendue particulièrement difficile par le fait que l'équipe s'aventurait en territoire inconnu. Il se souvient: «Lorsqu'on part de zéro, le chemin vers le succès est toujours plus long que prévu. Par exemple, la mesure quantitative du radical HO2 a été plus difficile que l'on ne s'y attendait: l'extraction des paramètres d'inflammation à partir des expériences de réacteur à micro-écoulement a été plus compliquée qu'anticipé.»

Une suite de premières mondiales

Globalement, 2G-CSAFE a démontré que le mélange combustible est l'élément le plus important. Dans certains cas, la combustion de biocarburant s'est avérée plus dangereuse que celle des carburants conventionnels. Comme le résume le Dr Dagaut, «Selon la structure des biocarburants, vous pouvez obtenir moins d'hydrocarbures polyaromatiques polluants qu'avec les carburants traditionnels, par exemple avec les alcools et les esters. Avec le 2,5-diméthylfurane, par contre, vous en obtiendrez plus. La recherche a également démontré l'importance de certaines réactions typiques comme l'élimination moléculaire dans le cas des carburants oxygénés, alors que ces réactions sont souvent négligées pour les hydrocarbures.

Le projet a créé plusieurs outils et méthodologies pratiques, dont plusieurs constituent des premières mondiales. Il a par exemple obtenu les premières mesures quantitatives de radicaux HO2, durant l'oxydation des carburants, en utilisant un réacteur continu auto-agité, un cône d'échantillonnage et une spectroscopie CRDS à cavité en anneau, une réalisation majeure du fait de l'importance de ce radical pour l'inflammation. En utilisant un réacteur à micro-flux, le projet a également pu mesurer la fréquence FREI (Flames with Repetitive Extinction and Ignition), et observer pour la première fois des flammes faibles oscillantes, un comportement qui avait été prédit mais jamais observé auparavant. Ces phénomènes pourraient avoir des implications importantes pour l'utilisation de micro-chambres de combustion en tant qu'alternative viable aux batteries.

L'équipe travaille actuellement sur une validation plus poussée des modèles de combustion pour les biocarburants les plus complexes. Elle explore également l'inflammation assistée par plasma et le contrôle de combustion, en se basant sur la découverte par le projet du fait que dans les moteurs HCCI (homogenous charge compression ignition), l'ajout de petites quantités d'espèces actives séparées et mélangées (NO, NO2, O3) offrait un grand potentiel pour augmenter l'efficacité.

Mots-clés

2G-CSAFE, biocarburants, combustion, oxydation, inflammation, carburants, carbone organique, moteurs, aéronautique, automobiles, polluants, modèles cinétiques, hydrocarbures, assisté par plasma