Semaine 2 : Moteurs à combustion interne classiques, biomasse

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1 Semaine 2 : Moteurs à combustion interne classiques, biomasse Objectifs pédagogiques Au cours de la deuxième semaine, nous poursuivons l application des réflexions de la semaine précédente aux moteurs à combustion interne classiques : turbines à gaz et moteurs alternatifs à essence, à gaz et diesel, ainsi qu aux installations de combustion de la biomasse. Quelques compléments sur la modélisation de la combustion dans Thermoptim sont pour cela nécessaires. Ils sont donnés en annexe 3. Les explorations dirigées de modèles portent sur les cycles suivants : - Cycle de turbine à gaz à régénération - Cycle de turbine à gaz à refroidissement intermédiaire - Turboréacteurs - Moteur alternatif à gaz A la fin de la semaine : - vous saurez calculer une combustion dans Thermoptim, en système aussi bien ouvert que fermé - vous connaîtrez les principales variantes des cycles de turbines à gaz - vous aurez étudié des cycles simplifiés des moteurs alternatifs à combustion interne - vous saurez identifier l'origine des irréversibilités et les axes d'amélioration des cycles moteurs Support de cours

2 27 3 Cycles de turbines à gaz et variantes 3.1 Turbine à gaz à combustion Dans le MOOC Modéliser et Simuler, pour simplifier les choses, nous n avons pas modélisé la combustion de la turbine à gaz, nous contentant de considérer que l air sortant du compresseur était porté à la température maximale du cycle dans une transfo de type échange. Pour remédier à cette simplification, nous utiliserons les notions de thermodynamique de la combustion qui sont présentées dans l annexe 3 relative aux combustions dans Thermoptim. Nous considérerons comme cycle de référence un cycle appelé cycle de Brayton (figure 3.1.1). Son paramétrage est le suivant : la température d entrée turbine vaut 1150 C, la haute pression 16 bar, et le compresseur et la turbine sont supposés avoir des rendements polytropiques égaux à 0,85. Figure : Cycle de turbine à gaz de référence Le rendement de ce cycle est égal à 35,8 %. Examinons les échanges de ce cycle de turbine à gaz avec ses sources externes en vue de déterminer où se situent les irréversibilités thermiques les plus importantes. Du côté de la source chaude, on brûle dans la chambre de combustion un combustible capable de produire des fumées à plus de 2000 C, mais, pour des raisons technologiques, on est obligé de limiter la température d entrée turbine en dessous de 1200 à 1400 C. Il n est pas possible de modifier le cycle à ce niveau. Du côté de la source froide, le rejet dans l atmosphère des gaz sortant de la turbine correspond à une très grande irréversibilité. Il est parfois possible de la réduire. 30/03/2017

3 Les gaz d échappement sortent ici à 533 C, alors que la température de l air sortant du compresseur est de 443 C. 3.2 Turbine à gaz à régénération Il est donc envisageable de réchauffer partiellement cet air avant entrée dans la chambre de combustion, ce qui réduit d autant la consommation de combustible. Il suffit pour cela d insérer un échangeur de chaleur entre les gaz d échappement et l air comprimé. Figure : Cycle de turbine à gaz à régénération On appelle cycle à régénération cette variante du cycle simple (figure 3.2.1). Figure : Synoptique du cycle de turbine à gaz à régénération

4 29 Comme le montre le synoptique de la figure 3.2.2, le rendement a augmenté et vaut maintenant 39,5 % au lieu de 35,8 %. Il est toutefois clair que la régénération ne peut être effectuée que si la température de sortie turbine est supérieure à la température de sortie compresseur, ce qui n est pas toujours le cas. Ce cycle fait l objet d une exploration dirigée (C-M2-V2). 3.3 Turbine à gaz à compression et détente fractionnées Une autre idée pour améliorer le cycle consiste à fractionner la compression ou la détente. Cette opération peut le cas échéant être répétée plusieurs fois. Figure : Cycle de turbine à gaz à compression fractionnée Examinons le cas d un cycle dit à refroidissement intermédiaire, dans lequel la compression est fractionnée (figure 3.3.1). En sortie du premier corps de compression, l air à 185 C est refroidi par échange avec l air extérieur à 15 C, ce qui permet de baisser sa température à 20 C. Il est alors recomprimé à la pression finale, le travail de compression étant plus faible. En revanche, comme la température de sortie du deuxième corps de compression a elle aussi baissé, il faut apporter plus de chaleur dans la chambre de combustion. Le bilan global reste cependant bénéfique. Il en résulte surtout une augmentation de la puissance et un tout petit gain de rendement (figure 3.3.2). Notez que la température de fin de compression étant beaucoup plus basse que dans le cycle simple (193 C au lieu de 442 C) une régénération complémentaire serait bénéfique. La difficulté est que la morphologie des turbines à gaz qui conduisent aux meilleures performances n'est généralement pas bien adaptée à un refroidissement intermédiaire, de telle sorte que cette solution est rarement employée 30/03/2017

5 Figure : Synoptique du cycle de turbine à gaz à refroidissement intermédiaire Ce cycle fait l objet d une exploration dirigée (C-M2-V3). Figure : Synoptique du cycle de turbine à gaz à combustion séquentielle

6 31 Il est en revanche souvent plus facile d'insérer une combustion séquentielle qu'un refroidissement intermédiaire, la chambre de combustion pouvant être de taille beaucoup plus petite qu'un échangeur de refroidissement. La figure montre une modélisation de turbine à gaz à combustion séquentielle. Il est possible de combiner les modifications précédentes en effectuant une compression biétagée avec refroidissement intermédiaire et une détente multiétagée avec combustion séquentielle, un régénérateur pouvant alors être employé. Le rendement augmente donc en conséquence, mais au prix d'une complexité accrue et d'un coût plus élevé. On s'écarte donc sensiblement de la simplicité initiale de la turbine à gaz. 3.4 Propulsion aéronautique Pendant longtemps, les avions ont été propulsés par des hélices entraînées par des moteurs à essence. Aujourd'hui encore, c'est la meilleure solution pour les petits avions de tourisme. Lorsque, pour de plus grands avions, l'hélice est conservée compte tenu de ses très bonnes performances, elle est souvent entraînée par un turbopropulseur utilisant une turbine à gaz à cycle ouvert. Cependant, les turboréacteurs ont supplanté les moteurs à hélice pour la propulsion de nombreux avions, dont la plupart des avions de ligne longs courriers. C'est par ailleurs le seul moteur qui convient pour les vols supersoniques, et il équipe à ce titre la plupart des avions militaires. Aux très grandes vitesses, ainsi que pour la propulsion des missiles longue portée, le turboréacteur atteint ses limites, et c'est le statoréacteur qui est utilisé, car il permet d'obtenir de très bons rendements. Toutefois, il ne peut fonctionner de manière autonome au décollage, qui doit alors être assuré par un turboréacteur ou par un moteur-fusée. Commençons par un petit complément de thermodynamique. Figure : Tube de courant 30/03/2017

7 Nous avons jusqu ici supposé que les variations d'énergie cinétique des fluides subissant des transformations sont négligeables. Dans les diffuseurs et les tuyères qui équipent les turboréacteurs, cette hypothèse n'est plus valable, l'effet utile étant obtenu en convertissant en énergie cinétique la pression du fluide. Pour des écoulements permanents absolus où la pression et les trois composantes de la vitesse sont supposées constantes dans le temps, et si le fluide est dépourvu de viscosité, la loi fondamentale des écoulements adiabatiques dans un repère fixe traduit la conservation de l'enthalpie totale h + K, et s'écrit, sur une ligne de courant (figure 3.4.1), C étant la vitesse du fluide : h + C 2 2 = Cste Il est possible de convertir en énergie cinétique l enthalpie d un fluide, et réciproquement Cette équation résulte simplement de la généralisation du 1 er principe avec prise en compte des énergies cinétiques. Un turboréacteur du type de ceux qui sont généralement utilisés dans l'aviation est une simple modification d'une turbine à gaz à cycle ouvert: la turbine est dimensionnée pour seulement entraîner le turbocompresseur (figure 3.4.2). Figure : Schéma d un turboréacteur En sortie de turbine, l'énergie excédentaire disponible dans les gaz à hautes pression et température est convertie en énergie cinétique dans une tuyère. La poussée résulte de la différence de quantité de mouvement entre l'air aspiré et les gaz rejetés. Je vous rappelle que la quantité de mouvement est le produit du débit-masse par la vitesse. Par définition, la poussée est égale à : F = m (C1 - C5) C1 étant la vitesse de l'avion, et C5 celle des gaz à la sortie de la tuyère. Le turboréacteur comporte de plus un diffuseur d'entrée, qui sert à créer une précompression d'origine statique en entrée du compresseur

8 33 Un turboréacteur se présente donc comme la combinaison d'un diffuseur, de ce qu on appelle un générateur de gaz et d'une tuyère. On parle de générateur de gaz car la fonction de l ensemble «compresseur, chambre de combustion et turbine» est de générer des gaz chauds et à pression supérieure à la pression ambiante, afin que ces gaz puissent ensuite être convertis en énergie cinétique dans la tuyère. Figure : Générateur de gaz Il est tout à fait possible de modéliser avec une bonne précision divers cycles de turboréacteurs avec Thermoptim (figure 3.4.4). Toutefois, les composants du noyau de Thermoptim ne suffisent pas pour réaliser de tels modèles : pour représenter le diffuseur d'entrée et la tuyère de sortie, il est nécessaire de faire appel à deux classes externes, c est-à-dire à deux extensions du Figure : Modélisation dans Thermoptim progiciel. Vous avez sans doute remarqué, sur la palette de Thermoptim, trois icônes comportant un grand E pour Externes, qui permettent de représenter à l'écran des transfos externes, des mélangeurs externes ou des diviseurs externes (figure 3.4.5). Figure : Composants externes dans Thermoptim Dans l éditeur de schémas, les transfos externes sont toutes représentées par le même composant graphique, mais leurs écrans peuvent être partiellement définis par leur concepteur en fonction de leurs caractéristiques. L écran de la tuyère 2 est donné figure Le point amont correspond à la sortie du générateur de gaz. Sa pression est ici de 2,4 bar environ, et sa température de 891 C /03/2017

9 Le point aval est à la pression ambiante de 0,265 bar car l avion est en altitude. Figure : Ecran de la tuyère La partie droite de l écran comprend les paramètres de la tuyère. Deux modes de calcul sont possibles : déterminer la pression de sortie connaissant la vitesse de sortie, ou bien comme ici déterminer la vitesse de sortie connaissant la pression de sortie. Les paramètres du modèle sont les suivants : la vitesse d'entrée du gaz (m/s), généralement faible le rendement isentropique de la transformation (ici 0,95)

10 35 et enfin soit la vitesse de sortie du gaz (m/s), soit la pression du gaz à la sortie de la tuyère, selon l'option de calcul choisie Le modèle dans Thermoptim d un turboréacteur simple est donné dans la figure Il fait aussi appel à un composant diffuseur 3 analogue à la tuyère. On peut dans un premier temps se contenter d'un modèle très simple, où l'on Figure : Modèle du turboréacteur fait l'hypothèse que l'on connaît le rapport de compression et le débit qui traverse la machine, ainsi que les rendements polytropiques ou isentropiques du compresseur et de la turbine. Le calcul du modèle ne pose alors aucun problème particulier. Une fois qu'il est paramétré, il devient possible de calculer les performances du moteur. La poussée spécifique, la puissance et la consommation rapportée à la poussée sont parmi les grandeurs les plus souvent utilisées pour cela. L'expression de la poussée est ici, en tenant compte de la variation du débit à travers le moteur du fait de l'injection de carburant : F = m0 C0 - m5 C5 La puissance W est égale au produit de la poussée par la vitesse de l'avion : W = F C0 Ce cycle fait l objet d une exploration dirigée (C-M2-V4) /03/2017

11 Un turboréacteur à double flux a un meilleur rendement que celui que nous venons d étudier et qui est appelé turboréacteur à simple flux. Il obtient ce résultat en accélérant à une vitesse à peine supérieure à celle de l'avion un débit d'air (appelé flux secondaire) complémentaire de celui qui traverse le générateur de gaz. Cette opération est rendue possible grâce à un compresseur additionnel à basse pression, appelé soufflante, entraîné lui aussi Figure : Turboréacteur à double flux par la turbine. On appelle rapport de dilution le rapport du débit secondaire au débit primaire. Il peut atteindre 10 pour certains turboréacteurs. La propulsion est alors assurée par un grand débit d'air à faible vitesse et un petit débit des gaz de combustion issus du cycle primaire classique. Il est possible de modéliser avec Thermoptim des turboréacteurs à double flux, à taux de dilution faible ou fort (figure 3.4.9). Il faut scinder en deux le flux d'air entrant dans le moteur, en sortie du diffuseur. Une partie est dirigée vers la chambre de combustion, puis vers deux turbines en cascade, l'une équilibrée avec le compresseur du moteur, et l'autre avec celui de la soufflante, comme le montre le synoptique de la figure Deux tuyères permettent alors de calculer la vitesse des gaz éjectés, et donc la poussée du moteur. Figure : Synoptique du turboréacteur à double flux

12 37 4 Moteurs alternatifs à combustion interne 4.1 Mode général de fonctionnement Intéressons- nous maintenant aux moteurs alternatifs à combustion interne à essence, à gaz et diesel, que nous n avons pas encore étudiés compte tenu des difficultés de modélisation qu ils présentent. Nous allons maintenant pouvoir expliquer pourquoi. Figure : Principe de fonctionnement d un moteur alternatif à combustion interne Tous les moteurs alternatifs à combustion interne fonctionnent suivant le même processus général décrit schématiquement dans la figure Un volume variable est délimité par un cylindre, l'une de ses bases qui est fixe, appelée culasse, et l'autre qui est un piston mobile dans l'alésage du cylindre, entraîné par un système bielle-manivelle. Le système piston-bielle-vilebrequin permet de transformer le mouvement alternatif du piston en mouvement de rotation de l arbre du moteur (figure 4.1.2). 30/03/2017

13 Figure : Système piston-bielle-vilebrequin Dans un moteur à quatre temps, les organes qui commandent le refoulement ou l'admission sont des soupapes actionnées par des poussoirs couplés à l'arbre moteur par un arbre à cames (figure 4.1.3). De diverses manières, selon qu'il s'agit d'un moteur à deux ou à quatre temps, on fait en sorte, dans la phase d'admission, que du gaz frais à la pression atmosphérique soit introduit dans le cylindre. Dans les moteurs à essence ou à gaz classiques, il s agit d un mélange combustible formé au préalable, et dans les moteurs Diesel il s agit d air pur. Le piston étant à une certaine distance du fond du cylindre, l'orifice d'admission est fermé, le volume V compris entre le piston et le fond étant occupé par une certaine charge de gaz frais (figure 4.1.1). Figure : Entraînement des soupapes Le piston, en se rapprochant du fond du cylindre, comprime cette charge dans le volume v de la chambre de combustion, c'est-à-dire l'espace restant lorsque le piston atteint la fin de sa course, appelé point mort haut ou PMH. Cette compression est sensiblement adiabatique et s'effectue sans frottements internes appréciables. Le facteur essentiel de fonctionnement est le rapport de compression volumétrique rho = V/v, caractéristique géométrique du cylindre. La réaction de combustion est alors déclenchée, soit par allumage local du mélange dans les moteurs à essence ou à gaz, soit par injection du combustible dans l'air comprimé

14 39 pour les moteurs diesel. La combustion se produit pendant un temps relativement court, alors que le piston poursuit sa course. En pratique, elle s'effectue selon un mode intermédiaire entre la combustion à volume constant et la combustion à pression constante. Le piston continuant à s'éloigner du fond du cylindre, les gaz brûlés se détendent jusqu'à la fin de la course appelée point mort bas ou PMB, puis sont évacués et remplacés par une nouvelle charge de gaz frais. Une différence importante entre un moteur à essence et un moteur diesel réside non dans le mode d'introduction du combustible, qui, dans certains moteurs à essence, est aussi injecté, mais dans le moment où le combustible est introduit, qui détermine la nature des gaz lorsque la réaction se déclenche. Les parois latérales et les fonds de cylindre des moteurs alternatifs sont toujours refroidis énergiquement, le plus souvent par circulation d'eau dans des évidements de la paroi, et parfois dans des moteurs de petite puissance par des ailettes extérieures très développées soumises à un courant d'air violent (figure 4.1.4). Dans un moteur à essence, le combustible est introduit suffisamment à l'avance pour que, lorsque l'allumage se Figure : Refroidissement du moteur produit, le cylindre soit rempli d'un mélange sensiblement homogène. Dans le moteur diesel, le combustible est injecté au dernier moment, et brûle au fur et à mesure de son introduction (figure 4.1.5). 30/03/2017

15 Dans les cycles à quatre temps, les plus répandus, le fond du cylindre est percé de deux orifices, contrôlés par des soupapes commandées, qui le mettent en communication avec les enceintes d'admission et d'échappement L'évolution de la pression et du volume massique des gaz dans le cylindre est souvent représentée dans le diagramme de Watt donnant la pression du fluide en ordonnée en fonction du volume du cylindre en abscisse. À la fin de la détente en 3, la soupape d'échappement s'ouvre, la pression tombe à la pression atmosphérique, et le piston effectue une course complète vers le haut, chassant ainsi les gaz brûlés. Quand il atteint le PMH, en 5, la soupape d'échappement se ferme, et celle d'admission s'ouvre. En s'éloignant, le piston aspire une charge de gaz frais. En 4, au PMB, la soupape d'admission se ferme, et la compression 4-1 commence, suivie de la combustion 1-2 et de la détente 2-3. Il s'agit donc d'un cycle à quatre courses simples, d'où le nom de moteur à quatre temps. Figure : Moteur à 4 temps Comme on le voit, le fonctionnement de ces moteurs est beaucoup plus complexe que celui d une turbine à gaz, de telle sorte que leur modélisation n est pas aussi simple. 4.2 Cycles théoriques et réels Dans sa forme classique, l'étude élémentaire des cycles est basée sur des approximations assez grossières : le fluide de travail est assimilé à de l'air pur, et luimême à un gaz parfait, et les transformations sont considérées comme parfaites. Figure : Diagramme de Watt Nous ne mentionnerons ici que les cycles idéaux. Précisons que les analyses de ces cycles excluent les phases d'admission et d'échappement des cycles réels. Comme nous venons de le voir, le fonctionnement de ces moteurs alterne des phases en système fermé (soupapes fermées) et en système ouvert (admission et échappement), ce qui a pour effet de compliquer leur analyse. Leur représentation dans un diagramme

16 41 thermodynamique est loin d être aussi simple que celle des autres cycles que nous avons étudiés Cycle de Beau de Rochas En première approximation, le fonctionnement des moteurs à essence ou à gaz peut être représenté par le cycle dit de Beau de Rochas, qui se réduit à quatre évolutions simples représentées sur cette figure dans le diagramme de Watt d un cylindre (figure 4.2.1). La première phase est une compression adiabatique réversible 4-1 ; Cette phase de compression en système fermé commence après la fermeture des soupapes d admission et se termine avant l allumage. La deuxième phase est une combustion à volume constant 1-2 ; Déclenchée en fin de compression, au Figure : Cycle de Beau de Rochas moment où la vitesse du piston s'annule, la combustion en système fermé est supposée suffisamment rapide pour être considérée comme instantanée, et donc à volume constant. La troisième phase est une détente adiabatique réversible 2-3 ; Cette détente en système fermé commence à la fin de la combustion et se termine avant l ouverture des soupapes d échappement. Figure : Synoptique de moteur à gaz industriel Enfin, la quatrième phase est un refroidissement à volume constant 3-4. En fin de détente, l'ouverture des soupapes d'échappement fait chuter brutalement la pression dans le cylindre. 30/03/2017

17 On fait ici l'hypothèse que la vidange est instantanée. La figure montre un exemple de modélisation d un tel cycle pour un moteur à gaz industriel. Ce cycle fait l objet d une exploration dirigée (C-M2-V5- b). Voici pour le moment quelques indications sur son paramétrage. Le paramétrage de la compression est le suivant : système fermé, avec un rapport de compression imposé et un rendement Figure : Paramétrage de la compression isentropique égal à 0,8 (figure 4.2.3). Le paramétrage de la chambre de combustion est différent de celui que nous avons considéré pour la turbine à gaz. La combustion a lieu en système fermé, le débit de combustible est imposé et le volume massique aval est imposé par le point amont (figure 4.2.4). Figure : Paramétrage de la combustion Compte tenu du fort refroidissement du moteur, nécessaire pour des raisons technologiques, le rendement de la chambre de combustion vaut 0,75, ce qui signifie que 25 % de la puissance thermique est perdue.

18 43 La détente est modélisée par deux transfos détente, la première, en système fermé, correspond à la phase de détente dans le cylindre, les soupapes étant fermées (figure 4.2.5). Comme pour la compression, le rapport de détente est imposé, et un rendement isentropique de 0,8 est pris en compte. En fin de cette détente, les soupapes d échappement sont ouvertes, et la détente se poursuit selon la même loi adiabatique, jusqu à la pression atmosphérique. Elle se déroule cette fois en système ouvert, et sans production de travail, ce qui justifie que le type d énergie choisi soit «autre». Figure : Paramétrage de la détente en système fermé Figure : Paramétrage de la détente en système ouvert Cycle de Diesel La différence fondamentale entre le cycle diesel et le cycle de Beau de Rochas est le remplacement de la combustion à volume constant par une combustion à pression constante, comme le montre ce diagramme de Watt (figure 4.2.7). 30/03/2017

19 On fait ici l'hypothèse, surtout valable pour les moteurs lents, que l'expansion des gaz due à la combustion vient, en terme de pression, exactement compenser la détente due à la course du piston. Le modèle de la figure représente un tel cycle, avec un taux de compression volumétrique de 20 au lieu de 15. Les performances sont meilleures que celles du moteur à gaz suivant le cycle de Beau de Rochas, mais le gain provient principalement de l élévation du taux de compression. En réalité, qu il s agisse d un moteur à essence ou diesel, la Figure : Cycle de Diesel combustion ne se fait ni à volume constant ni à pression constante, mais se présente comme indiqué sur le diagramme de cette figure. Cette différence découle essentiellement de la très grande vitesse de rotation de la plupart de ces moteurs. Figure : Synoptique de moteur diesel Les modèles de Beau de Rochas et diesel à pression constante que nous avons présentés s écartent donc beaucoup de la réalité. Une meilleure approximation peut être obtenue en considérant que la combustion se déroule en trois étapes : elle commence à volume constant, se poursuit à pression constante et se termine à température constante. Toutefois ce modèle est lui aussi critiquable. Il en résulte que, à la différence des évolutions fonctionnelles que nous avons étudiées jusqu ici, la combustion dans les moteurs alternatifs à combustion interne fait appel à au moins trois évolutions de référence, ce qui en rend l analyse thermodynamique beaucoup plus complexe.

20 45 Figure : Synoptique de moteur avec combustion se déroule en trois étapes Cet exemple souligne le fait important que les fonctions des composants peuvent différer de leur configuration géométrique. Dans le cas des moteurs alternatifs à combustion interne (essence ou diesel), le même ensemble de pièces (le cylindre et le piston) joue successivement le rôle de compresseur, de chambre de combustion puis d'organe de détente. La représentation fonctionnelle d'un tel système amène à connecter entre eux trois éléments représentant ces différentes fonctions. Cette figure montre un modèle Thermoptim détaillé de moteur diesel. Il fait apparaître la combustion en trois étapes, le refroidissement du moteur, et la recirculation d une partie des gaz brûlés due à la présence de l espace mort dans les cylindres. Ce type de cycle est trop complexe pour être analysé dans le cadre de ce cours, mais une piste d approfondissement sur ce sujet vous est proposée. 5 Utilisation énergétique de la biomasse Généralités On appelle biomasse l'ensemble des matériaux organiques, d'origine principalement végétale, naturelle ou cultivée, terrestre ou marine, provenant de la conversion chlorophyllienne de l'énergie solaire, à l'exclusion des combustibles fossiles. La biomasse est principalement composée de lignine (C40H44O6) (25 %), et de carbohydrates Cn(H2O)m (cellulose C6H10O5 et hemicellulose) (75 %). La combustion à une température de l ordre de C est le mode de conversion le plus ancien et sans doute le plus employé, tant pour les utilisations domestiques qu industrielles. Son rendement est bon dans la mesure où le combustible est riche en glucides structurés (cellulose et lignine) et surtout suffisamment sec, c est-à-dire d humidité inférieure à 35 %. 30/03/2017

21 La co-combustion consiste à brûler simultanément un combustible fossile, généralement du charbon, et une biomasse (jusqu à 15 %), afin de réduire, dans une chaudière existante, la quantité de combustible initial. Le rapport C/N se définit comme celui des quantités de carbone et d azote contenus dans la biomasse. Il varie de 10 à 100 environ. La pyrolyse permet de convertir une biomasse relativement sèche (humidité inférieure à 10 %) et de rapport C/N supérieur à 30 en divers combustibles à haut pouvoir calorifique inférieur PCI, stockables sous forme gazeuse, liquide et solide (charbon de bois). Elle se déroule à des températures comprises entre 400 et 800 C, et peut se faire selon plusieurs modes. La gazéification de la biomasse à une température de 800 C à C est obtenue en réalisant une combustion en défaut d air comportant schématiquement deux grandes étapes : une pyrolyse produisant des phases gazeuse, liquide et solide, suivie de la gazéification proprement dite de ces deux dernières phases. Elle produit un gaz dit «pauvre», du fait de son faible pouvoir calorifique (1 kwh/m3 contre 10 kwh m3 pour du méthane). En remplaçant l air par de l oxygène, on obtient un gaz de synthèse (CO + H2) utilisable pour la fabrication du méthanol. Dans un gazéifieur, le combustible commence par être séché, puis il est pyrolysé. Les produits gazeux sont ensuite brûlés à haute température, dégageant de la chaleur dont une partie est utilisée par les deux étapes précédentes. Les gaz brûlés sont alors remis en contact avec la phase solide issue de la pyrolyse et avec l eau provenant du séchage, ce qui suscite une réaction de réduction qui conduit à la formation d un gaz de synthèse riche en CO et H2, dont le PCI est voisin de 70 à 75 % de celui de la biomasse d origine. Pour pouvoir simuler une chaudière ou un gazéifieur à co-courant, nous avons mis au point un modèle simplifié, dans lequel il est possible de faire varier avec une assez grande souplesse la composition et l'humidité du combustible ainsi que les conditions de la combustion. La classe externe dans laquelle il est implémenté s appelle BiomassCombustion. Ce modèle est très sommaire comparativement à ceux qui sont actuellement étudiés dans les laboratoires de recherche, notamment dans sa représentation des phénomènes de pyrolyse. Figure : Gazéifieur à cocourant Son principal intérêt est de permettre à des utilisateurs de Thermoptim d'aborder l'étude des conversions thermochimiques de la biomasse et de l'insertion de gazéifieurs ou chambres de combustion dans des systèmes complets.

22 47 Afin de simplifier l'écriture du modèle, nous avons pris le parti d'utiliser les fonctions de calcul de combustion déjà présentes dans Thermoptim, en nous contentant de rajouter les équations correspondant aux réactions que le progiciel ne prend pas en compte Les principaux paramètres qui influencent la combustion de la biomasse sont les suivants : - en premier lieu, bien évidemment, la composition du combustible ; - en second lieu, son humidité, qui d'une part détermine l'enthalpie nécessaire au séchage, d'autre part joue sur la composition des gaz, et enfin influence la dissociation du CO2 ; - enfin, la température de figeage et le taux de dissociation du CO2. Le modèle est un mélangeur externe, qui reçoit en entrée le gaz sec, son humidité et le comburant. Figure : Structure du modèle Les gaz brûlés se retrouvent en sortie. Les espèces non présentes dans Thermoptim (ammoniac et carbone) sont définies dans l écran du mélangeur Combustion en défaut d'air La figure montre l'écran du composant permettant de modéliser un gazéifieur. Dans le cas présenté, on fait l'hypothèse que le combustible comprend 0,634 % d'ammoniac et 10,5 % de carbone rapportés à la masse sèche, que la température de figeage est égale à 900 C, et que 50 % de l'humidité participe à la combustion. Bien évidemment, les débits de combustible, d'eau et de comburant en entrée jouent un rôle fondamental car leurs rapports influencent directement la composition du gaz de synthèse qui est donnée figure /03/2017

23 Figure : Ecran du composant Les éléments combustibles sont le monoxyde de carbone CO et l hydrogène, dont la fraction molaire est respectivement 12,9 % et 16,3 % Figure : Composition du gaz de synthèse Combustion en excès d'air Dans cet exemple simulant une chaudière brûlant de la biomasse, la combustion est réalisée en excès d'air. La figure montre l'écran du composant permettant de modéliser la combustion de la biomasse. Dans le cas présenté, on fait comme précédemment l'hypothèse que le combustible comprend 0,634 % d'ammoniac et 10,5 % de carbone rapportés à la masse sèche, que la température de figeage est égale à 900 C. On suppose en revanche que toute l'humidité participe à la combustion, et que le taux de dissociation du CO2 vaut 0,05, alors que sa valeur était auparavant calculée. Dans l écran du composant, outre les valeurs relatives au gaz brûlés (débit, température, enthalpie), les grandeurs affichées sont le facteur d'air lambda et le taux de dissociation du CO2

24 49 Figure : Ecran du composant On considère un débit de 1,25 g/s de combustible sec, de composition donnée dans cette figure, d'humidité 50 % en masse, le débit d'eau étant lui aussi de 1,25 g/s. Ce combustible est brûlé avec 10 g/s d'air sec, conduisant à un facteur d'air lambda = 1,23. Figure : Composition du combustible de biomasse sec (PCI : 17,2 MJ/kg) La composition des gaz brûlés est donnée figure Figure : Composition des gaz brûlés (PCI : 0,15 MJ/kg) 30/03/2017

25 Annexe 3 : Compléments sur Thermoptim : combustion La plupart des combustibles sans cendres sont des hydrocarbures. En négligeant les traces d azote et de soufre, leur molécule comporte essentiellement des atomes de carbone C et d hydrogène H ainsi qu un peu d oxygène O. En ramenant la formulation à un atome de carbone, la formule générale d un combustible est donc C Hy Ox. Comme la condition x y/2 est toujours vérifiée, on peut considérer que la formule C Hy Ox devient : CHa + x H2O a représente ainsi ce qu il est convenu d appeler l hydrogène disponible pour la combustion rapporté à l oxydation complète du carbone unitaire. L eau contenue dans le combustible ne participe pas à la réaction de combustion. Elle se retrouve dans les fumées. La combustion complète d'un combustible de formule CHa avec de l oxygène pur serait régie par cette équation : il faut 1 molécule d oxygène pour former CO2, et a/4 molécules d oxygène pour former a/2 H2O. C Ha + (1 + a 4 ) O2 CO2 + a 2 H2O Toutefois, dans les systèmes énergétiques, les combustions sont presque toujours réalisées avec de l'air comme comburant. L air sec ayant comme composition volumique approchée 79 % d azote et 21 % d oxygène, le rapport azote/oxygène vaut 79/21 = 3,76. C est pourquoi l air peut être représenté par la formulation O2 + 3,76 N2. La combustion complète avec l'air d'un combustible de formule CHa est donc régie par cette équation. C Ha + (1 + a 4 ) (O2+ 3,76 N2) CO2 + a 2 H2O + 3,76 (1 + a 4 )N2 On appelle combustion stœchiométrique une combustion réalisée avec la quantité exacte de comburant permettant de complètement oxyder le combustible. C'est celle qui conduit à la température de fin de combustion la plus élevée. Nous la considérerons comme combustion de référence. Cette équation signifie que la combustion stœchiométrique d une mole de combustible CHa nécessite (1 + a/4) moles de dioxygène et produit 1 mole de dioxyde de carbone et a/2 moles d eau.

26 125 Si le comburant est l'air, 3,76 (1 + a/4) moles d azote sont aussi mises en jeu, mais, comme elles ne réagissent pas avec le combustible, elles se retrouvent dans les gaz brûlés. On dit que l azote reste inerte. Lorsque la combustion est non stœchiométrique, elle peut être caractérisée de plusieurs manières : Soit par l'excès d'air e, qui comme son nom l'indique, représente la quantité d'air en excès Soit par le facteur d'air, qui est égal à 1 + l excès d air Soit par la richesse R, rapport du nombre de moles (ou de la masse) de combustible contenu dans une quantité déterminée de mélange, au nombre de moles (ou à la masse) de combustible dans le mélange stœchiométrique. R = 1 correspond au mélange stœchiométrique, R < 1 à un excès d'air, et R > 1 à un excès de combustible Ces trois grandeurs sont reliées par les relations simples : 1 R = 1 + e et = 1 + e = 1 R Nous utiliserons préférentiellement dans ce cours, car c est le terme multiplicateur de l'air dans l'équation de la combustion Si est supérieur à 1, c est-à-dire en excès d'air, la combustion complète avec l'air d'un combustible de formule CHa est régie par cette équation : C Ha + (1 + a 4 ) (O2+ 3,76 N2) CO2 + a 2 H2O + ( -1) (1 + a 4 ) O2 + 3,76 (1 + a 4 )N2 Thermoptim utilise une généralisation de cette équation pour des combustibles plus complexes que CHa. La comparaison de ces deux équations permet de comprendre ce qui se passe lorsque l air est disponible en excès. Le combustible réagit avec l oxygène comme dans la réaction stœchiométrique, et tout l air en excès se retrouve sans réagir dans les gaz brûlés. est le terme qui multiplie le nombre de moles d'air dans l'équation de la combustion Pour = 1, la réaction est stœchiométrique Lors d'une combustion, le maximum de dégagement d'énergie est obtenu lorsque l'eau contenue dans les fumées est suffisamment refroidie pour se retrouver liquéfiée, ce qui impose que leur température soit très basse. La valeur de la chaleur de réaction complète prend alors le nom de pouvoir calorifique supérieur, ou PCS. 30/03/2017

27 Dans le cas le plus général où toute l'eau produite reste à l'état de vapeur, on lui donne le nom de pouvoir calorifique inférieur ou PCI. Les chaudières à condensation sont celles où l'eau contenue dans les fumées est liquéfiée Dans Thermoptim, une transfo combustion est représentée par un composant chambre de combustion comportant deux transfos en entrée, d une part le comburant, ici de l air en sortie de compresseur, connecté sur le port bleu, et d autre part le combustible connecté sur le port rouge (figure A3.1). Les gaz brûlés en sortent par le port vert, ici connecté à la turbine. La composition du combustible est définie dans le point aval de la Figure A3.1 : Modèle de chambre de combustion transfo «combustible», dont le corps doit être un gaz pur ou composé. Celle du gaz naturel de Montoir de Bretagne est affichée figure A3.2. Figure A3.2 : Déclaration du combustible L'écran d'une combustion comporte de nombreux paramètres (figure A3.3). Les trois principaux modes de calcul sont les suivants : L'option "Calculer lambda" détermine le facteur d'air lambda ( 1), à partir de la valeur de la température de fin de combustion Tc imposée. L'option "Calculer T" détermine Tc à partir de la valeur de lambda imposée. Dans les deux cas, le débit de la transfo "combustible" est ajusté pour que le rapport entre les débits volumiques de comburant et de combustible soit égal au facteur d'air. L'option "Imposer le débit de combustible" détermine lambda et Tc à partir des caractéristiques du combustible et du comburant. Le débit masse de la transfo en cours d'évaluation (la combustion) est quant à lui égal à la somme des débits de combustible et de comburant, ce qui signifie que la transfo combustion se comporte, sur le plan hydraulique, comme un mélangeur de débits.

28 127 Figure A3.3 : Ecran d une transfo combustion Pour les autres paramétrages, lorsque la combustion a lieu en système ouvert, on choisit généralement la pression imposée par le point amont, ce qui signifie que la chambre de combustion est isobare. Figure A3.4 : Ecran d une transfo combustion avec dissociation 30/03/2017

29 Pour une utilisation simple de Thermoptim, ces paramétrages suffisent. Nous avons supposé dans ce qui précède que la combustion était complète, alors qu il arrive que ce ne soit pas le cas, notamment à haute température, et que des imbrûlés apparaissent dans les fumées. On parle alors de dissociation. Si, partant d'une telle situation, on baisse progressivement la température du milieu réactif, on constate qu'à partir d'un certain seuil sa composition se stabilise et ne varie plus. On dit qu'il y a figeage de la réaction et on appelle température de figeage la valeur de ce seuil. Thermoptim peut prendre en compte ce phénomène lorsque le mode dissociation est coché, et si on lui indique d une part le taux de dissociation du CO2 en CO, et d autre part la valeur de la température de figeage (figure A3.4). Dans cet exemple, le taux de dissociation du CO2 en CO a été fixé à 5 %, et la valeur de la température de figeage à 900 C. Figure A3.5 : Composition des fumées sans dissociation L impact de ce changement de paramétrage sur la composition des fumées est illustré par les figures A3.5 et A3.6 : du monoxyde de carbone CO et de l hydrogène H2 apparaissent en cas de dissociation. Figure A3.6 : Composition des fumées avec dissociation