• Langue : Anglais
• Discipline : Energetique, thermique, combustion
• Identifiant : 2025ULILR056
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 05/12/2025

Résumé en langue originale

Avec l'augmentation continue des émissions globales de carbone et le réchauffement climatique, plusieurs réglementations (ex. l'Accord de Paris) ont été adoptées à l'échelle mondiale afin d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2030/2050. Pour atteindre ces objectifs, des réductions significatives des émissions de gaz à effet de serre sont nécessaires dans tous les secteurs, comme le transport, la production d'énergie et l'industrie. Parmi ces secteurs, le transport maritime est reconnu comme l'un des principaux contributeurs aux émissions mondiales de CO?, représentant près de 3% du total des émissions anthropiques. En réponse à cela, l'Organisation maritime internationale a mis en œuvre une série de réglementations visant à réduire l'intensité carbone du transport maritime. Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire d'adopter des carburants alternatifs à faible/zéro émission de carbone, capables de remplacer les carburants marins fossiles conventionnels.L'ammoniac (NH?) est un candidat prometteur en raison de sa composition sans carbone, sa teneur élevée en hydrogène et ses technologies de production et de stockage relativement avancées. Bien que la combustion de NH3 ne produise pas de CO?, elle présente d'autres défis, notamment la formation d'oxydes d'azote (NO?), qui sont de puissants polluants atmosphériques. Pour minimiser les émissions de NO?, il est essentiel de bien comprendre la chimie de la combustion de l'ammoniac. Cela peut être réalisé à partir de modèles cinétiques chimiques validés par un large éventail de données expérimentales, comprenant à la fois des paramètres de combustion globaux (vitesse de combustion laminaire et temps de retard à l'allumage) et des mesures de spéciation obtenues dans des réacteurs, tels que des réacteurs à agitation par jet, des réacteurs à écoulement et des flammes stabilisées par brûleur (BSF).Bien qu'il existe des ensembles de données détaillés pour plusieurs de ces configurations, il y a toujours un manque important de données BSF pour les mélanges NH3 et NH3/H2 dans la littérature. Ces données sont cruciales, comme les BSF fournissent des informations précieuses sur les structures chimiques des flammes dans diverses conditions. La présente thèse vise à fournir un nouvel ensemble de données fiables sur les mesures de spéciation dans des flammes plates laminaires prémélanges NH3/O2/N2 et NH3/H2/O2/N2 à basse pression (10 kPa). Dans le cadre de cette étude, les profils de température et d'espèces (NO, OH, NH et H?O) ont été mesurés à l'aide de techniques de diagnostic laser in-situ (fluorescence induite par laser calibrée) et ex-situ (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier). Cinq flammes ont été étudiées, couvrant une gamme de rapports d'équivalence (0.87, 1.1, 1.3) et de mélanges NH3/H2 (0-10 %) afin d'explorer leur effet sur l'oxydation du NH3 et la formation de NOx.Les profils expérimentaux ont été comparés à des simulations de modèles cinétiques disponibles dans la littérature. Une concordance satisfaisante entre les profils expérimentaux et simulés a été observée. À l'aide du modèle le plus performant (Mei_2021), une analyse détaillée des voies chimiques a été menée afin d'élucider les principales réactions contrôlant l'oxydation de l'ammoniac et la formation de NO, en plus de l'effet de l'ajout d'hydrogène. Les résultats présentés dans cette étude fournissent un ensemble de données qui peut être utilisé pour valider et affiner les mécanismes cinétiques chimiques de l'oxydation de l'ammoniac décrits dans la littérature. Ces modèles validés sont indispensables pour la conception et l'optimisation des systèmes de combustion d'ammoniac, permettant une utilisation sûre et efficace de l'ammoniac comme carburant marin et soutenant la transition vers un transport maritime neutre en carbone. Ce travail est une contribution au projet ANR-SIAC (ANR-22-CE50-0022), et est financé par le LabEx CaPPA (ANR-11-LABX-0005-01) et l'ADEME (Agence de la transition écologique).

Résumé traduit

With the continuous rise in the global carbon emissions and the ongoing global warming, several regulations such as the Paris Agreement have been adopted worldwide to achieve carbon neutrality by 2030/2050. To meet these goals, significant reductions in greenhouse gas (GHG) emissions are required across all sectors, including transportation, energy production, and industry. Among these sectors, maritime transport is recognized as a major contributor to global CO? emissions, accounting for nearly 3% of the total anthropogenic output. In response, the International Maritime Organization (IMO) has implemented a series of regulations aiming to reduce the carbon intensity of international shipping. Achieving these targets requires adopting alternative, low/zero-carbon fuels capable of replacing conventional fossil-based marine fuels.One promising emerging candidate is ammonia (NH?) due to its carbon-free composition, high hydrogen content, and relatively mature production and storage technologies. While ammonia combustion does not produce CO?, it presents other challenges, notably the formation of nitrogen oxides (NO?), which are potent air pollutants contributing to acid rain and ozone depletion. To minimize NO? emissions, a thorough understanding of ammonia's combustion chemistry is essential. This can be achieved through chemical kinetic models validated against a wide range of experimental data, including both global combustion parameters such as laminar burning velocity and ignition delay time, and speciation measurements obtained in well-characterized reactors like jet-stirred reactors, flow reactors, and burner-stabilized flames (BSF).While extensive datasets exist for many of these configurations, there remains a significant lack of BSF data for NH3 and NH3/H2 mixtures in the literature. Such data are crucial, as BSFs provide valuable insights into the chemical flame structures under a variety of conditions. To address this gap, the present thesis work focuses on providing a new reliable dataset of speciation measurements in laminar premixed NH3/O2/N2 and NH3/H2/O2/N2 flat flames at low pressure (10 kPa). In the context of this study, temperature and species profiles (NO, OH, NH, and H?O) were measured using in-situ (calibrated Laser-Induced Fluorescence) and ex-situ (using Fourier Transform Infrared Spectroscopy) laser diagnostic techniques. Five different flames were investigated, covering a range of equivalence ratios (0.87, 1.1, 1.3) and ammonia/hydrogen blends (0-10%) to explore their effect on NH3 oxidation and pollutant formation.The obtained experimental species profiles were then compared to simulations of different detailed kinetic models available in the literature. A satisfactory agreement between the experimental and simulated profiles was observed. Using the best performing model (Mei_2021), a detailed pathway analysis was conducted to elucidate the main reactions controlling ammonia oxidation, NO formation, in addition to the effect of hydrogen addition. The results presented in this study provide a dataset that can be used to validate and refine the literature chemical kinetic mechanisms of ammonia oxidation. Such validated models are indispensable for the design and optimization of next-generation ammonia combustion systems, enabling the safe and efficient utilization of ammonia as a marine fuel and supporting the transition towards carbon-neutral maritime transport. This work is a contribution to the ANR-SIAC (ANR-22-CE50-0022) project, and is funded by the LabEx CaPPA (ANR-11-LABX-0005-01) and ADEME (Agence de la transition écologique).