CLEAN : Combustion in Low-Emission And CO2–Neutral technologies – Alessandro Parente

Assurer aux nouvelles générations une énergie durable et bon marché


La dépendance mondiale à la combustion comme vecteur de transformation de l’énergie chimique contenue dans les carburants devrait subsister. Pour satisfaire nos besoins en énergie, nous devons continuer à faire progresser notre compréhension dans ce domaine, encore mal compris par sa complexité physique. Développer de nouvelles technologies capables de gérer efficacement les carburants neutres en CO2, sans produire de polluants reste un challenge majeur pour la science. Quelques concepts de nouvelles technologies de combustion ont été proposés récemment et mis en œuvre dans certaines installations pilote afin de mieux les comprendre. Cependant, ces régimes de combustion à faibles émissions sont extrêmement complexes et donc très difficiles à maîtriser, rendant impossible la transposition de solutions d’une configuration industrielle à une autre. L’objectif de CLEAN est de combiner les avancées les plus récentes en informatique et en calcul haute performance, afin de permettre une transition vers les nouvelles technologies de combustion peu polluantes utilisant des carburants neutres en CO2 dans le contexte de la transition énergétique future

Les recherches du Prof. Parente sont soutenues notamment par :

Dernières nouvelles

  • Alessandro Parente expliques ses recherches en vidéo :

Biographie

Né en 1980. Docteur en génie chimique et des matériaux (Università di Pisa), maîtrise en génie chimique (Università di Pisa), chercheur à l’University of Utah et au Von Karman Institute et actuellement Professeur associé au département Aero-Thermo-Mécanique (ULB), vice-président de la section belge de l’Institut de combustion et président du groupe de recherche ULB-VUB « Combustion and Robust Optimization ». En 2011, le professeur Parente a reçu le Fonds Renard pour ses recherches dans le domaine de la mécanique des fluides, et ses activités sont supportées par des prestigieux bailleurs de fonds nationaux et internationaux, notamment le Conseil européen de la recherche (ERC Starting Grant et Marie Skłodowska-Curie Actions), EU Horizon 2020 ; démontrant l’intérêt européen pour les nouvelles technologie de combustion.

1. Changement climatique, énergies renouvelables et stockage

Une nouvelle révolution énergétique est proche : supporter notre modèle sociétal tout en s’orientant vers des sources d’énergies neutres en CO2 est l’un des défis majeurs du 21ème siècle. Quand on parle d’énergie, on identifie mal le caractère prépondérant de la combustion. Pensons un instant à notre vie quotidienne, aux produits que nous utilisons, à notre façon de nous déplacer en réunion, pour rendre visite à la famille, aux amis, pour partir en vacances, … Même une simple recherche sur internet requiert la combustion. Nous réalisons rapidement que presque toutes les activités ont une forte signature énergétique. La majeure partie de cette énergie, environ les deux tiers, provient aujourd’hui de la combustion.

La combustion est aussi la principale source de pollution atmosphérique et donc du changement climatique. Un rapport récent de l’ONU a indiqué que la concentration de CO2 dans l’atmosphère avait atteint 405,5 parties par million (ppm). Si nous continuons à ce rythme, dans 50 ans, nous dépasserons le niveau de 500 ppm et verrons les températures dangereusement augmenter, remettant en cause les sociétés de nos enfants et petits-enfants. Aujourd’hui, nous avons déjà presque dépassé les niveaux de CO2 dans l’atmosphère qui permettraient de respecter les recommandations de la COP21 et limiter le réchauffement à 1,5 °C. Le problème ne peut plus être ignoré et nous devons changer notre façon de produire et d’utiliser l’énergie.

Les nouveaux développements dans les énergies renouvelables sont fondamentaux pour assurer les besoins en énergie de la génération future, dans le cadre d’un modèle de croissance durable. Cependant, un problème fondamental se pose pour une société qui utiliserait exclusivement des sources renouvelables : leur intermittence intrinsèque. Nous savons tous que les énergies éolienne et solaire sont soumises aux aléas quotidiens et saisonniers du vent et du soleil. De plus elles ont une forte dépendance géographique, des parc solaires dans le Sahara sont efficaces mais dans des villes comme Bruxelles, ce n’est pas le cas. Les parc éoliens off-shore sont très intéressants sauf dans les régions avec peu de vent. Les sources géothermiques et hydroélectriques ne sont disponibles que sur des sites spécifiques et imposent des contraintes précises en terme d’exploitation des infrastructures. Il est donc nécessaire de développer des solutions de stockage capables de garantir la disponibilité de l’approvisionnement en énergie requis lorsque les sources renouvelables ne sont pas disponibles, permettant de répondre à une demande permanente.

Le stockage sur batterie est très efficace pour le stockage à court terme, elles présentent peu de pertes lors d’un cycle charge décharge : moins de 10% de l’énergie est perdue. Elles peuvent donc être utilisées en cas de stockage court terme. Cependant leur coût limite leur utilisation à grande échelle, les parcs de batteries construit par exemple par Tesla ont une capacité de stockage qui permettent d’alimenter une ville pendant à peine quelques minutes, pour un coût unitaire très élevé.

Le stockage de l’énergie à long terme (stockage saisonnier) et les processus à forte consommation d’énergie (transport de passagers à grande distance et processus industriels) nécessitent, par contre, des densités d’énergie élevées (plusieurs dizaines de MJ par kg), qui ne peuvent être réalisés que par des carburants. Le projet d’avion Solar Impulse, technologiquement à la pointe, ne permettait que de transporter lentement un seul passager sur de courtes distances. On peut donc comprendre que le transport aérien devra continuer à utiliser une source chimique, les carburants. Il en va de même pour beaucoup de processus industriels et le transport des biens et des personnes.

Nous avons sous nos yeux un paradoxe apparemment insoluble, à savoir la prise de conscience de l’impact négatif important des technologies basées sur la combustion et, parallèlement, la reconnaissance du fait que note société a besoin de la combustion pour satisfaire ses besoins énergétiques. L’objectif de CLEAN est de proposer une solution de ce paradoxe : il est possible que la combustion soit non polluante et neutre en CO2.

2. Un mix énergétique futur couplant renouvelable et combustion

Le futur mix énergétique comprendra une variété de carburants. Les technologies Power-to-X (P2X) permettent de stocker l’excès d’énergie renouvelable sous forme de composés chimiques, caractérisés par des densités d’énergie très élevées et, de ce fait, représentent les candidats idéaux pour le stockage à long terme, les processus industriels à forte intensité énergétique et les transports. L’idée est d’utiliser le surplus de production d’énergie renouvelable pour transformer les produits de combustion, CO2 et eau en carburant. Ce carburant est ensuite brûlé et le CO2 et l’eau stocké en vue du prochain cycle.

Ces composés chimiques sont généralement appelés «Vecteurs Energétiques Intelligents» (VEI) et comprennent l’hydrogène (la molécule la plus facile à former par électrolyse de l’eau), l’ammoniac (un moyen efficace de stocker l’hydrogène sous forme liquide en le combinant avec de l’azote atmosphérique), le méthane (combinant l’hydrogène avec le dioxyde

de carbone recyclé issu des procédés de captage et de stockage), mais également le méthanol et d’autres combustibles synthétiques pour des applications ciblées (transport aérien et terrestre, production d’énergie,…). La disponibilité des VEI peut potentiellement conduire à une intégration continue des sources d’énergies renouvelables et des technologies de combustion (Figure 1), dans le cadre d’un modèle d’économie circulaire, où la dépendance aux sources de combustibles fossiles peut être écartée, comme l’indique la Figure 1.

Figure 1 – Une grande diversité de vecteurs énergétiques remplacera les combustibles fossiles dans le futur. Ces vecteurs seront produits par des sources renouvelables. En toute logique leur utilisation devra ne pas produire de polluants et nécessite l’implémentation de nouvelles technologies de combustion.

 

La disponibilité de ces différents vecteurs est une opportunité majeure. Elle peut contribuer à la décarbonisation de l’alimentation électrique, malgré des offres et demandes fluctuantes en énergie et à assurer un approvisionnement énergétique plus sûr et constant.

 

Le stockage de l’énergie dans les nouveaux vecteurs d’énergie intelligents rend le rôle de la combustion crucial. Pour que ce concept power-to-X soit efficace et viable, de nouvelles technologies de combustion doivent être développées, afin de permettre la flexibilité attendue du combustible sans compromettre l’efficacité énergétique et les émissions de polluants, voire l’efficacité de l’application. C’est loin d’être le cas aujourd’hui. En effet, les processus industriels sont optimisés compte tenu de la spécificité du combustible utilisé, gaz naturel, charbon, diesel, essence … Les rendre « flexibles en carburant », c’est-à-dire leur permettre d’utiliser n’importe quel

VEI, dont les caractéristiques de combustion varient fortement, constituera un défi technique majeur pour les prochaines décennies.

Une solution consiste à adapter les carburants aux technologies existant, mais les limites de ce paradigme seront vite atteintes : la disponibilité locale de blocs constitutifs de carburant (par exemple, le dioxyde de carbone) posera problème. Une meilleure approche consiste à développer des technologies capables de fonctionner efficacement et sans émissions nocives, quel que soit le carburant. Ces technologies sont regroupées sous le terme MILD combustion.

3. Novel combustion technologies

Figure 2 – Le trilemme énergétique : notre société a besoin de sources d’énergies peu coûteuses, sures et neutres pour l’environnement. .

Pour atteindre l’objectif à long terme de neutralité du CO2 et atténuer les effets du réchauffement climatique, nous avons besoin de repenser les technologies de conversion énergétique et donc la combustion. Les technologies de combustion MILD offrent une solution à ce problème, car elles permettent de garantir la flexibilité du carburant, tout en assurant une excellente conversion énergétique et en réduisant les émissions de polluants à des niveaux quasi nuls (figure 2).

La combustion MILD découle d’une nouvelle perspective dans l’analyse des procédés de combustion, développée au cours des dernières décennies. Auparavant, il était considéré comme impossible d’obtenir à la fois une efficacité énergétique élevée et de faibles émissions en polluants, un compromis devait être accepté. Le problème n’était étudié que d’un point de vue énergétique, pas chimique. De nos jours, la combustion est traitée et

contrôlée comme un réacteur chimique, ce qui permet à la fois de satisfaire les besoins environnementaux et énergétiques et de s’adapter la flexibilité nécessaire aux futurs vecteurs énergétiques (Figure 3). Quelques installations expérimentales de ces technologies sont apparues dans les laboratoires de recherche comme à l’ULB, dont l’expertise est reconnue internationalement dans le domaine. Cependant, ces régimes de combustion à faibles émissions sont très complexes et difficiles à simuler, rendant impossible la transposition de solutions développées d’une configuration industrielle à une autre. Ceci est encore plus compliqué dans un scenario caractérisée par la coexistence de plusieurs VEI.

 

Figure 3 – Avec les technologies actuelles, un choix doit être fait entre le niveau d’oxyde d’azote émis et l’efficacité du processus. Les cherches menées à l’ULB ont démontré qu’utiliser le concept du MILD permet d’obéir à ces deux contraintes en même temps.

4. CLEAN

CLEAN vise à développer des outils de simulation avancés pour les systèmes de combustion de taille semi-industrielle. Ces modèles peuvent être utilisés en toute confiance pour prévoir le comportement des systèmes existant, optimiser leur fonctionnement et développer à terme la prochaine génération de brûleurs pour tout type d’applications industrielles.

Des approches multi-échelles et multi-physiques seront développées pour décrire avec précision tous les phénomènes couplés dans la combustion MILD, de l’échelle moléculaire où la conversion du combustible a lieu

jusqu’à celle du système lui-même. Les données expérimentales de l’ULB et simulées seront utilisées, dans une approche intégrée, où ces deux piliers se nourrissent dans un cycle vertueux (Figure 4), générant les données haute-fidélité nécessaires au développement de jumeaux numériques (digital twins) permettant de prédire avec confiance le comportement de ces systèmes. À cette fin, des techniques inspirées de l’apprentissage automatique – machine learning et intelligence artificielle – seront utilisées pour reconnaître les modèles et classer les informations sous la forme de modèles réduits.

Figure 4 –Les « Digital twins » peuvent être considérés comme le lien entre les systèmes réels et le monde digital. Leur développement nécessite une nouvelle stratégie de recherche où expériences et simulations alimentent des méthodes avancées de machine learning permettant d’extraire les informations nécessaires à la construction du « digital twin »

Le projet propose de tester cette approché et d’en démontrer la validité sur trois systèmes : une fournaise semi-industrielle pour les processus industriels, une micro-turbine à gaz et un moteur à piston pour la production de chaleur et d’électricité. La disponibilité de ces trois dispositifs expérimentaux dans le groupe de recherche BURN [1] offre l’occasion unique de prouver l’efficacité des « digital twins » pour une variété d’applications et leur utilisation potentielle dans le monde industriel mais aussi pour les décideurs politiques en charge de la réglementation.

CLEAN représente la première tentative de réalisation de modèles « digital twins » pour les systèmes de combustion. Ce projet repose sur l’approche

novatrice d’utilisation de données haute-fidélité pour développer directement des modèles afin de contrôler, d’optimiser et de développer de nouveaux systèmes énergétiques. Les ingénieurs ont toujours développé des modèles globaux et des corrélations pour la conception et l’optimisation, basés sur des approches empiriques et semi-empiriques. Il est temps d’introduire la simulation numérique et l’apprentissage automatique dans ce processus de conception et développement, pour permettre l’émergence de nouvelles technologies disruptives.

[1] The ComBUstion and Robust OptimisatioN research group is a joint ULB-VUB group, http://burn-research.be.

5. Requested Budget

6. Environnement de travail

L’activité de recherche du Professeur Parente, s’articule autour des axes suivants :

• Interaction turbulente / chimique dans les modèles de combustion turbulente et les modèles d’ordre réduit.

• Combustibles non conventionnels issus de sources renouvelables.

• Nouvelles technologies de combustion flexibles, avec des émissions quasi nulles de polluants.

• Simulation numérique d’écoulements réactifs turbulents.

• Quantification de l’incertitude dans la dynamique des fluides numérique.

Le professeur Parente est l’auteur de plus de 60 articles dans des revues à comité de lecture (facteur h de 18, plus de 1200 citations), environ 100 contributions à des conférences internationales, 4 contributions de livres et 1 brevet. Il a récemment reçu une prestigieuse « ERC starting grant » pour son projet VADEMECOM. Ce projet vise à stimuler le développement de technologies de combustion modernes et efficaces, au moyen de modèles précis et adaptatifs. En janvier 2015, il a fondé avec le Professeur Contino, le groupe BURN (burn-research.be), composé de 7 professeurs à temps plein et de plus de 40 chercheurs (doctorants et post-doctorants), dans le but de développer une recherche de classe mondiale dans la combustion numérique et expérimentale.

Le Professeur Parente a un large éventail de collaborations nationales et internationales, indiquant ainsi l’étendue et l’intérêt de ses activités de recherche. Cela se traduit par son implication dans plusieurs projets de recherche et son réseau avec les instituts de recherche les plus renommés dans le domaine de la combustion. Il convient en particulier de mentionner son implication dans l’Action CLEAN-Gas Marie Skłodowska-Curie (www.clean-gas.polimi.it) avec l’Université polytechnique de Milan, l’Université de Darmstadt et la Centrale Supélec, et sa participation à la COST Action SMARTCAT (www.smartcats.eu), en tant que représentant officiel de la Région wallonne et responsable du groupe de travail sur l’utilisation des vecteurs énergétiques Intelligents (VEI) à grande échelle. Le financement reçu par le groupe BURN depuis 2010 comprend plus de 15 projets de recherche, dotés d’un budget global de plus de 7 millions d’euros. Le Professeur Parente supervise ou codirige actuellement 2 chercheurs postdoctoraux, 20 doctorants, dont 14 en cotutelle avec des partenaires européens et internationaux.

Le projet proposé ici présente de nombreuses synergies avec les recherches en cours et pourrait tirer pleinement parti des connaissances, des ressources et du réseau disponibles dans le groupe. Le groupe dispose notamment de moyens expérimentaux (banc d’essai de four, banc moteur, banc de turbine à gaz, outils avancés de diagnostic et de mesure, installations informatiques) d’une valeur dépassant les 3M €.

 

Partager cet article :