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Simulations à haute performance de la décarbonation des turbines à gaz industrielles grâce à l'utilisation de mélanges H2-NH3

MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés) – [Subject to defense authorization]

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Le changement climatique impose une réduction urgente des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur énergétique. Malgré l'essor des énergies renouvelables comme l'éolien et le solaire dans la transition énergétique, certains secteurs industriels et de transport nécessitent une puissance et une fiabilité que seules les turbines à gaz peuvent garantir. Dans ce contexte, les carburants décarbonés comme l'ammoniac ou l'hydrogène sont une alternative prometteuse aux combustibles fossiles conventionnels, offrant, dans certains cas, une infrastructure établie de stockage et de transport tout en éliminant les émissions de carbone. La décarbonation de la production d'énergie via les carburants décarbonés nécessite une compréhension fondamentale de la cinétique chimique et de la modélisation de la combustion turbulente. Cette thèse étudie la combustion ammoniac-hydrogène pour les turbines à gaz industrielles, en abordant ces défis de manière séquentielle pour développer des outils numériques fiables. Tout d'abord, une revue des mécanismes de cinétique chimique ammoniac-hydrogène a été menée, comparant leurs prédictions aux données expérimentales dans des conditions représentatives pour les turbines à gaz. Cela a conduit au développement de deux nouveaux mécanismes de Chimie Analytiquement Réduite (ARC) utilisant le code ARCANE. La deuxième phase a abordé les défis de la modélisation de la combustion turbulente dans les systèmes d'injection multi-carburants partiellement prémélangés. L'approche standard du modèle de Flamme Épaissie (TFLES) a été améliorée pour gérer les hétérogénéités de composition du carburant, aboutissant à l’implémentation du modèle Multi-Fuel TFLES (MF-TFLES) dans le code de calcul massivement parallèle AVBP. Le brûleur stratifié de l'Université de Cardiff a servi de cas test expérimental, combinant une injection prémélangée ammoniac-air en amont avec une injection d'hydrogène en aval. La structure de la flamme et la distribution des polluants ont été caractérisées par imagerie de chimiluminescence OH*, NH*, et NH2* et mesures NO-PLIF. Enfin, des Simulations aux Grandes Échelles (LES) utilisant un des mécanismes ARC développés et le modèle MF-TFLES ont été utilisées pour étudier les voies de formation chimique du NO. L'étude a identifié plusieurs mécanismes de production dans différentes régions de la flamme, les corrélant avec la composition locale du mélange, les champs de température et les structures d'écoulement. Les résultats ont montré l'influence significative de l'enrichissement local en hydrogène dans les régimes pauvres. Le cadre numérique développé, conjuguant la cinétique chimique détaillée, la modélisation de la combustion turbulente, et l'analyse de la formation des polluants, fournit des aperçus essentiels pour le développement de systèmes de combustion ammoniac-hydrogène à faibles émissions grâce à des prédictions numériques validées. En exploitant le Calcul Haute Performance (HPC) et la LES haute-fidélité, ce travail contribue au développement des technologies de combustion innovantes, soutenant ainsi la transition vers un avenir décarboné.

Jury

M. Christian HASSE	Technische Universität Darmstadt (TU Darmstadt)	Rapporteur
M. Alessandro PARENTE	Université Libre de Bruxelles (ULB)	Rapporteur
Mme Christine MOUNAÏM-ROUSSELLE	Université d’Orléans	Examinatrice
M. Thibault GUIBERTI	King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)	Examinateur
M. Laurent GICQUEL	CERFACS	Directeur de thèse
M. Davide LAERA	Politecnico di Bari (POLIBA)	Co-encadrant
M. Ghislain LARTIGUE	Institut national des sciences appliquées de Rouen (INSA Rouen)	Co-encadrant