« L’ammoniac a d’abord été utilisé comme carburant pendant la Seconde Guerre mondiale, alors que l’essence était difficile à trouver », explique David Emberson, professeur associé au Département de technologie marine de l’Université norvégienne de sciences et de technologie (NTNU). « C’était en réalité une idée assez folle, car l’ammoniac est un gaz très vénéneux et toxique. »
La nécessité, cependant, est la mère de l’invention.
Si les pénuries de carburant ont stimulé le développement des moteurs à ammoniac dans les années 1940, le besoin de propulsion sans carbone inspire aujourd’hui une nouvelle ère.
L’étincelle d’une bonne idée
L’ammoniac est abondant et courant, et il peut être produit à partir d’énergies renouvelables. C’est un carburant zéro carbone, qui n’émet pas de dioxyde de carbone lors de son utilisation. Mais l’ammoniac présente de mauvaises caractéristiques d’allumage et ne brûle pas bien seul.
Pour qu’un moteur fonctionne à l’ammoniac, celui-ci est généralement utilisé avec un autre carburant pour faciliter l’allumage. Ces moteurs sont appelés moteurs bi-carburant.
Le gaz de houille, les biocarburants et le diesel sont des exemples de carburants d’allumage – ils servent à « déclencher » l’ammoniac.
Les pénuries de diesel pendant la Seconde Guerre mondiale ont conduit à la première utilisation concrète de l’ammoniac. Une flotte d’autobus belges a été convertie pour fonctionner à l’ammoniac, mais les moteurs exigeaient un mélange de carburant contenant jusqu’à 40 % de gaz de houille pour atteindre une combustion stable.
Les carburants d’allumage réintroduisent des émissions de carbone dans l’équation, ce qui affaiblit l’argument en faveur des moteurs à ammoniac sur le marché actuel. Les ingénieurs recherchent des alternatives sans carbone et étudient comment les utiliser le plus efficacement possible.
Un moteur à ammoniac zéro émission nette
Emberson a précédemment étudié comment minimiser la quantité de carburant d’allumage nécessaire dans un système bi-carburant. En utilisant des techniques similaires, lui et son équipe ont maintenant étudié l’utilisation de l’hydrogène comme carburant d’allumage dans un moteur à ammoniac.
L’hydrogène est également un carburant zéro carbone et peut être produit à partir de l’ammoniac lui-même. Son utilisation nécessiterait un stockage d’hydrogène supplémentaire ou un équipement à bord pour séparer l’hydrogène de l’ammoniac au besoin. Maximiser l’efficacité est donc une priorité essentielle.
La recherche menée par Emberson et al suggère qu’à peine 7 à 8 % d’hydrogène suffisent pour aider à enflammer l’ammoniac, à condition de l’administrer de la bonne manière.
Propulser la prochaine génération de technologies marines
Ces résultats pourraient avoir un impact profond sur la viabilité de cette technologie dans le secteur maritime.
« En réalité, le secteur maritime est celui où nous sommes les plus susceptibles de continuer à utiliser des moteurs et à brûler des carburants pendant la plus longue période », dit Emberson. « Notre objectif est de savoir comment faire évoluer ce secteur vers des carburants à faible émission ou sans carbone. »
Le transport maritime représente entre 11 et 12 % de toutes les émissions liées aux transports dans le monde. Pour réduire les émissions de 50 % (par rapport aux niveaux de 2008) d’ici 2050, comme convenu par l’Organisation maritime internationale, il faudra une adoption à grande échelle d’alternatives aux moteurs diesel.
L’ammoniac gagne du terrain dans l’industrie du transport maritime comme alternative au pétrole respectueuse du climat. Mais, en général, les moteurs à ammoniac utilisent un carburant d’allumage qui n’est pas sans carbone.
Utiliser l’hydrogène comme carburant d’allumage
« L’hydrogène comme carburant est extrêmement difficile à comprimer, à stocker et à transporter. C’est une chose de disposer d’un réservoir à 700 bars pour une voiture à hydrogène, comme la Toyota Mirai, mais l’utiliser pour un navire, quelle que soit sa taille, est tout à fait irréalisable », explique Emberson.
L’hydrogène pourrait toutefois être utilisé comme carburant d’allumage sans carbone pour un moteur à ammoniac.
Les chercheurs ont étudié des techniques permettant d’enflammer l’ammoniac avec le moins d’hydrogène possible. La combustion de l’hydrogène ne produit pas de carbone mais peut produire des oxydes d’azote extrêmement néfastes pour l’environnement. Il doit également être stocké à très haute pression et est extrêmement explosif. Son utilisation en mer soulève d’importants défis de stockage.
L’ammoniac, bien que toxique, peut être stocké à une pression beaucoup plus modérée, n’est pas explosif, produit plus d’énergie par litre et se prête mieux au transport maritime sur de longues distances.
Utiliser une petite quantité d’hydrogène pour enflammer l’ammoniac constitue une combinaison pertinente des caractéristiques clés des deux carburants.
Craquer l’ammoniac
L’ammoniac (NH₃) est une molécule simple, composée d’un atome d’azote portant environ trois atomes d’hydrogène. Il peut donc être considéré comme un mécanisme de stockage chimique de l’hydrogène.
L’hydrogène peut être récupéré en « craquant » l’ammoniac – en le séparant en hydrogène et en azote. Ce processus peut se dérouler à bord, ce qui évite de transporter de grandes quantités de ce carburant volatil.
Emberson estime que cette technologie pourrait même être installée sur certains moteurs existants : « Craquer l’ammoniac est une option, mais cela nécessitera aussi de l’énergie, donc réduire cette demande de craquage est une partie importante du développement », explique-t-il.
Les recherches d’Emberson portent sur l’injection directe. Le carburant est pulvérisé dans la chambre de combustion plutôt que d’être mélangé à l’ammoniac à l’admission. C’est ce qui distingue cette recherche de celle menée dans d’autres laboratoires, ainsi que des moteurs bi-carburant déjà en service.
Des lance-flammes de préchambre
Duc Duy Nguyen est doctorant au Département de technologie marine et co-auteur de l’article. Il explique que le cœur de la recherche consiste à maîtriser correctement la mécanique de l’injection de carburant, tout en développant des méthodes pour enregistrer le processus.
« Si vous avez un très grand feu de joie et que vous devez l’allumer, vous devez créer quelques petites étincelles, avec une énergie vraiment intense et élevée », dit Nguyen.
« C’est la même chose dans le petit espace d’une préchambre. C’est là que nous injectons l’hydrogène. Le moins possible. »
De petites quantités d’hydrogène sont injectées dans une petite « préchambre » du moteur, où elles sont enflammées par une bougie d’allumage. Les flammes jaillissent ensuite de cette préchambre et enflamment l’ammoniac dans le reste du moteur, comme des lance-flammes miniatures.
Le travail de l’équipe tourne autour du réglage précis de l’alignement de la buse et des dimensions des orifices. Ils règlent ces lance-flammes miniatures pour une efficacité maximale et ont développé des méthodes sophistiquées pour documenter le processus.
36 000 images par seconde
Grâce à une capture d’images à haute vitesse avancée, les chercheurs ont affiné la quantité de carburant nécessaire.
« En général, lorsqu’un moteur fonctionne, nous ne pouvons pas voir ce qui se passe à l’intérieur du moteur », dit Nguyen.
« Mais avec les techniques optiques utilisées ici, nous pouvons voir à l’intérieur et comprendre les principes fondamentaux de la combustion de l’ammoniac. »
Nguyen utilise deux caméras différentes. La première est une caméra de luminosité à haute vitesse, capable de capturer 36 000 images par seconde. Elle observe la lumière visible émise par la réaction chimique et enregistre le comportement de la combustion dans les moindres détails.
La seconde est une caméra de chimiluminescence, qui capture des comportements invisibles à l’œil nu.
« Il y a beaucoup de variables à contrôler », dit Nguyen. « Il ne s’agit pas seulement de savoir quelle quantité d’ammoniac injecter et quelle quantité d’hydrogène injecter. Il s’agit de quand. Nous modifions le calage de l’injection, ainsi que celui de l’étincelle, selon que le piston est en haut ou en bas. »
HYDROGENi
Le NTNU et le SINTEF sont tous deux partenaires de HYDROGENi, un centre de recherche norvégien soutenant l’adoption des sources d’énergie hydrogène. Les moteurs à ammoniac sont considérés comme une technologie habilitante importante pour décarboner les technologies marines.
« Les moteurs à ammoniac ne sont peut-être pas la solution parfaite, mais nous en verrons probablement l’usage dans certains domaines », explique Emberson. « La production du carburant, sa distribution et le ravitaillement des navires sont des aspects qui n’ont pas encore été résolus. La sécurité à bord et les émissions potentielles d’azote sont également des préoccupations. Tout comme l’impact sur la maintenance et la durée de vie du moteur. »
Les premiers autobus belges qui fonctionnaient à l’ammoniac pendant la Seconde Guerre mondiale ont été retirés du service après la fin de la guerre, lorsque les prix du diesel ont baissé et que la disponibilité du pétrole a augmenté.
« L’ancienne infrastructure a fini par l’emporter », dit Emberson. « Le défi d’aujourd’hui est de veiller à créer des alternatives plus attractives, capables d’offrir des performances équivalentes, voire meilleures. »
Article : Lean Ammonia Combustion in an Optically Accessible Combustion Chamber Using Hydrogen Jet Ignition – Journal : Energy & Fuels – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : NTNU
