Les recherches du CERFACS sur la transition vers l’hydrogène et la sécurité répondent au besoin croissant de décarbonisation des systèmes énergétiques, motivé par le changement climatique et les objectifs de l’UE visant à réduire les émissions de CO₂ de 80 à 95 % d’ici 2050. L’hydrogène (H₂), utilisé directement ou mélangé à d’autres combustibles (par exemple, le méthane ou l’ammoniac), offre une alternative prometteuse. D’autres stratégies neutres en carbone consistent à produire des combustibles synthétiques (e-combustibles) grâce à des technologies vertes telles que l’électrolyse de l’eau et la méthanation. Cependant, l’utilisation de l’H₂ pose des défis technologiques et de sécurité importants, en particulier pour les systèmes de combustion dans les turbines à gaz, les fours et la propulsion.
Le CERFACS apporte son expertise en chimie de la combustion, combustion turbulente, changement de phase et transfert de chaleur pour développer des outils CFD basés sur la simulation des grandes échelles (LES) pour la combustion de l’H₂. Les objectifs sont notamment de fournir des modèles de combustion prédictifs, de mettre à jour les stratégies de combustion pour les combustibles riches en H₂, d’évaluer avec précision les émissions de polluants (en particulier le NOₓ) et de garantir que les turbines peuvent résister aux températures de flamme plus élevées associées à l’H₂.
Quatre défis clés sont visés. Premièrement, l’intégration et la réduction des schémas chimiques complexes impliquant l’H₂ et ses mélanges sont essentielles pour la prédiction des polluants et l’efficacité de la simulation. Deuxièmement, la modélisation des instabilités thermo-diffusives, courantes dans la combustion de l’H₂, est essentielle pour prévenir les comportements dangereux des flammes tels que les retours de flamme ou les explosions. Troisièmement, les interactions multiphysiques (turbulence, acoustique, rayonnement) doivent être prises en compte pour garantir le bon fonctionnement du brûleur, ce qui nécessite des approches de simulation étroitement couplées. Quatrièmement, la simulation de brûleurs à grande échelle (par exemple, les fours industriels) présente des difficultés de calcul en raison des grandes disparités dans les échelles spatiales et temporelles, en particulier lors de l’utilisation de pas de temps explicites.
Pour relever ces défis, le CERFACS utilise des outils avancés tels que ARCANE pour la réduction chimique, AVBP pour les simulations LES/DNS et CWIPI pour le couplage multiphysique. Les domaines d’intérêt stratégiques comprennent la programmation durable, en particulier l’optimisation des flux de travail HPC pour les simulations coûteuses, et l’amélioration des algorithmes numériques pour la chimie rigide et le rayonnement thermique. La modélisation basée sur les données, en particulier l’apprentissage profond, est également explorée afin d’améliorer la modélisation à l’échelle sous-maillée et de développer des méthodes « RANS intelligentes » à partir de données LES ou DNS haute résolution.
Ces travaux sont très pertinents pour les partenaires industriels et institutionnels du CERFACS, notamment Airbus, Safran, l’ONERA, EDF, Total et le CNES, qui sont tous engagés dans la recherche sur l’hydrogène. Ils soutiennent également des applications intersectorielles dans les domaines de la production d’électricité, de la pétrochimie et des industries manufacturières (par exemple, le verre et le ciment), tout en répondant aux préoccupations de sécurité liées aux risques d’explosion, comme l’a étudié le programme de recherche LEFEX.
