Utilisation de la combustion métallique dans les machines thermiques

Given the concerns regarding fossil fuel consumption, climate change, and energy security, automakers are exploring new drivetrain concepts. Several of those concepts, such as hydrogen or batteries, have been proposed, however none of them present a performance comparable to hydrocarbons in terms of autonomy, refill time, and safety. In this context, metal fuels, due to their high energy densities, have great potential as energy carriers for automotive applications. They can burn to release heat without any carbon chemistry, and the oxide formed by combustion can be recycled. The objective of this thesis is to contribute to the understanding of this potential. For such, various metal powders were selected and their combustion characteristics were studied in a spherical chamber at constant volume. Thereafter, the aluminum powder deemed most interesting was selected, and a dust burner capable of stabilizing metal-air flames was designed. Various optical diagnostics were conducted in order to measure the properties of aluminum-air flames and aluminum/methane-air flames stabilized on the burner. The results obtained in those different experimental configurations show a predominance of gas phase reactions during the combustion of 7mm aluminum particles. The laminar burning velocity was obtained through a laser tomography setup, and compared to previous works in the literature. It is shown that aluminum can be as reactive as hydrocarbons, and has great potential as a dense, clean, and renewable energy carrier.Face aux inquiétudes concernant la consommation des carburants fossiles, le changement climatique, et la sécurité énergétique, les constructeurs automobiles explorent de nouveaux concepts de chaîne de traction. Plusieurs concepts tels que l’hydrogène ou les batteries ont été proposés, cependant aucun d’entre eux ne présente une performance comparable aux hydrocarbures en termes d’autonomie, temps de recharge, et sécurité. Dans ce contexte, les combustibles métalliques, grâce à leurs densités énergétiques élevées, présentent un fort potentiel en tant que vecteurs énergétiques pour des applications automobiles. Elles peuvent dégager de la chaleur sans aucune chimie faisant intervenir du carbone et l’oxyde formé par la combustion est recyclable. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’évaluation de ce potentiel. Pour ce faire, différentes poudres métalliques ont été sélectionnées et leurs caractéristiques de combustion ont été étudiées en chambre sphérique à volume constant. Ensuite, la poudre d’aluminium jugée la plus intéressante a été retenue, et un brûleur à particules à flamme stabilisée a été conçu et mis au point. Différents diagnostics optiques ont permis de mesurer les propriétés des flammes aluminium-air et des flammes aluminium/méthane-air stabilisées sur le brûleur. Les résultats obtenus dans ces différentes configurations expérimentales montrent une prédominance des réactions en phase gazeuse lors de la combustion des particules d’aluminium de 7 mm. La détermination des vitesses de flamme a pu ainsi être obtenue par tomographie laser, et comparée aux travaux précédents de la littérature. Il a été démontré que l’aluminium peut être aussi réactif que des hydrocarbures, et présente un fort potentiel en tant que vecteur énergétique dense, propre et renouvelable