Caractérisation expérimentale d'une flamme prémélangée aluminium / air

Experimental characterization of an aluminum / air premixed flame

• Auteur / Autrice : Pascal Laboureur
• Direction : Fabien Halter, Christian Chauveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique & Énergétique
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Selle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Selle, Jean-François Brilhac, Pascal Boulet, Clement Dumand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Brilhac, Laurent Perrin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Vitesse

Conversion énergétique

Poudres métalliques

Vélocimétrie par images de particules

Essais

Flamme

Combustion

Aluminium

Innovation

Énergie

Mécanique

Mots clés libres

Aluminium

Poudre

Combustion

Flamme prémélangée

Rayonnement

Vecteur énergétique

Aluminum

Powder

Combustion

Premixed flame

Radiation

Energy carrier

Résumé

Face à l'intensification du dérèglement climatique et du réchauffement planétaire durant ces dernières décennies, les enjeux sociétaux et environnementaux liés à la transition énergétique deviennent prépondérants. L'intermittence des différentes sources d'énergies renouvelables, associée aux difficultés pour stocker massivement l'énergie résultante, limite le déploiement généralisé de ces solutions décarbonées et pousse à rechercher de nouveaux vecteurs énergétiques propres. Une alternative aux énergies fossiles traditionnels pourrait être les poudres métalliques en raison de leurs propriétés énergétiques intéressantes. L'énergie serait alors directement véhiculée par ces poudres selon un cycle itératif simple, sans la création de déchets ou de gaz à effet de serre. Cependant, le potentiel de ce vecteur reste encore à être démontré et certains verrous techniques et scientifiques subsistent dans les phases de stockage et de restitution de l'énergie. Cette thèse se focalise sur l'étape d'oxydation des particules métalliques et participe à évaluer les capacités de restitution énergétique de ce nouveau vecteur en étudiant une flamme prémélangée aluminium / air générée à la sortie d'un brûleur de type Bunsen. Les objectifs consistent en la caractérisation des propriétés fondamentales de la flamme métallique et l'estimation de paramètres nécessaires au dimensionnement d'un convertisseur énergétique basé sur l'utilisation de ces poudres d'aluminium. La vitesse de flamme laminaire, les températures de la phase condensée dans la zone de réaction ou encore le bilan énergétique global ont pu être déterminés sur le dispositif expérimental. Il apparaît alors que l'aluminium possède des avantages majeurs pour une utilisation comme vecteur énergétique.

In view of the intensification of climate change and global warming in recent decades, the societal and environmental challenges linked to the energy transition become essential. The intermittence of renewable energy sources, associated with the difficulties of massively storing the resulting energy, nevertheless slows down the widespread deployment of these carbon-free solutions and push to seek new clean energy carriers. An alternative to traditional fossil fuels could be metal powders because of their interesting energy properties. The energy would then be directly conveyed by these metal powders through a simple iterative cycle, without the creation of waste or greenhouse gases. However, the potential of this energy carrier remains to be demonstrated and several technical and scientific issues still exist in the phases of energy storage and release. This PhD thesis focuses on the oxidation step of metal particles and participates to evaluate the energy restitution capacities of this new energy carrier by studying an aluminum / air premixed flame generated at the exit of a Bunsen-type burner. The objectives consist in the characterization of the metallic flame fundamental properties and the estimation of parameters necessary to design an energy converter based on aluminum powders. The laminar flame velocity, the temperature of the condensed phase in the reaction zone or even the overall energy balance could be determined on the experimental apparatus. It then appears that aluminum has serious advantages for an application as an energy carrier.