Chimie de la combustion des hydrocarbures et biocarburants - Mécanismes réactionnels

À l’échelle mondiale, plus de 80 % de l’énergie produite l’est au moyen d’un processus de combustion. La finalité d’un processus de combustion est d’extraire l’énergie chimique latente d’une molécule et de la convertir en chaleur qui pourra ensuite à son tour être convertie en énergie électrique ou mécanique. Les molécules utilisées comme matière premières dans ces processus sont actuellement quasi exclusivement des ressources fossiles extraites du sous-sol et dont les quantités facilement exploitables sont limitées. Cette conversion en chaleur est réalisée à travers un ensemble complexe de réactions dont les produits finaux théoriques sont l’eau et le dioxyde de carbone. Les émissions de ce dernier sont la cause principale de l’augmentation de l’effet de serre planétaire et du dérèglement climatique induit observé depuis plusieurs décennies. À ces produits de combustion idéaux viennent aussi s’ajouter d’autres molécules polluantes tels que le monoxyde d’azote, les composés organiques volatils (COV), les oxydes d’azote (NO_x), les hydrocarbures polycycliques et les suies qui dégradent la qualité de l’air au niveau local et qui ont des répercussions sur la santé des populations.

Face à cette dépendance aux processus de combustion et dans l’attente que de nouvelles technologies puissent s’y substituer massivement, il est essentiel de comprendre précisément comment les différents carburants et combustibles brûlent au niveau chimique afin d’optimiser les installations et ainsi accroître leur efficacité tout en limitant les émissions polluantes.

La combustion est étudiée à l’aide de différentes techniques mettant en jeu différents appareillages spécifiques (tubes à choc, machines à compression rapide, réacteurs, brûleurs) équipés d’outils de diagnostic permettant de suivre ou de mesurer la vitesse à laquelle la réaction de combustion se déroule. Ces données expérimentales obtenues dans des conditions de température et de pression maîtrisées permettent d’identifier la séquence réactionnelle menant à l’oxydation complète d’un hydrocarbure en dioxyde de carbone. Elles sont ensuite utilisées pour tester et valider des modèles cinétiques.

Un modèle cinétique est un mécanisme réactionnel séquentiel et complexe qui associe à chaque réaction une constante de vitesse. Il permet de décrire qualitativement et quantitativement la combustion d’une molécule de départ en fonction des conditions initiales de température, pression et de mélange. Lorsque ces modèles parviennent à raisonnablement reproduire les données expérimentales obtenues dans plusieurs appareillages, le modèle peut alors être considéré comme validé et utilisé en toute confiance dans des conditions plus complexes et éloignées de celles utilisées pour la validation, permettant ainsi de mieux comprendre la formation des polluants et les sources possibles d’optimisation de la combustion dans un moteur ou une turbine à gaz par exemple.

Dans l’objectif de réduire l’empreinte environnementale de la combustion, de nombreuses recherches ont été entreprises pour avancer notre connaissance de la cinétique de combustion des combustibles fossiles, mais aussi de leurs alternatives renouvelables. Aussi cet article se propose de dresser un panorama des mécanismes de combustion des principaux hydrocarbures composant les différents combustibles fossiles, ainsi que ceux des principaux biocarburants actuellement utilisés ou envisagés.