Qu'est-ce que la combustion ?

La combustion est une réaction chimique entre un carburant et un oxydant, généralement de l'oxygène, qui produit de l'énergie sous forme de chaleur et de lumière (une flamme, le plus souvent). Comme elle produit plus de chaleur qu'elle n'en consomme, la combustion est une réaction exothermique. Il s'agit également d'une réaction d'oxydoréduction puisqu'elle implique une réduction (gain d'électrons) et une oxydation (perte d'électrons). 

La plupart des réactions de combustion nécessitent l'énergie d'une étincelle ou d'une flamme pour que le processus de combustion puisse démarrer. Si la réaction chimique produit suffisamment d'énergie pour que le processus d'oxydation se poursuive, on parle de combustion auto-entretenue. 

Les réactions de combustion permettent de chauffer les bâtiments, de cuisiner des aliments, de faire avancer des voitures, de propulser des avions, de lancer des fusées et de produire de l'électricité. L'utilisation croissante par l'homme de la combustion basée sur les hydrocarbures, en particulier les combustibles fossiles, est également responsable de l'augmentation de la quantité de molécules contenant du carbone qui retiennent la chaleur dans l'atmosphère terrestre. 

C'est pourquoi l'étude de la combustion, appelée science de la combustion, est une discipline qui suscite de plus en plus d'intérêt. Les scientifiques et les ingénieurs tentent de créer des réactions plus efficaces en utilisant des carburants et des oxydants divers qui produisent moins d'émissions, qui réduisent les sous-produits nocifs, et qui utilisent des matériaux inflammables durables ou moins coûteux comme sources de carburant. L'optimisation du processus de combustion peut améliorer considérablement les performances, les coûts et les émissions.

Une réaction d'oxydoréduction est une réaction dans laquelle des électrons sont transférés entre deux matériaux. On appelle « nombre d'oxydation » le nombre d'électrons présents dans un atome ou une molécule donnés. Les réactions d'oxydoréduction sont fondamentales pour les fonctions de base de la vie, y compris la photosynthèse, la respiration, la corrosion ou la rouille, et la combustion. 

Avant de nous pencher sur certaines réactions de combustion courantes, voici quelques termes clés utilisés pour décrire la chimie de la combustion :

• Agent oxydant : ion ou molécule capable de capter des électrons. Un agent oxydant arrache des électrons aux molécules présentes dans d'autres matériaux, on dit qu'il les oxyde.
• Agent réducteur : ion ou molécule capable de libérer des électrons. Un agent réducteur fournit des électrons aux molécules présentes dans d'autres matériaux, on dit qu'il les réduit. 
• Carburant : matériau constitué d'agents réducteurs. Le carburant le plus basique est une molécule d'hydrogène. La plupart des carburants sont des hydrocarbures, bien que certains métaux ou d'autres éléments hautement réactifs comme le phosphore servent de carburants dans certaines réactions de combustion. 
• Émissions : ions et molécules qui représentent les produits de la combustion. Bien que l'objectif principal de la combustion réside dans la production de chaleur et de lumière, une grande partie de la science de la combustion se concentre sur la compréhension et la minimisation des émissions associées. 
• Hydrocarbure : molécule contenant de l'hydrogène et du carbone, souvent combinés avec d'autres composés organiques et inorganiques. Les hydrocarbures peuvent être produits par des procédés organiques dans certains matériaux, comme le bois, par exemple. Les combustibles fossiles sont la forme la plus courante d'hydrocarbures utilisés dans la combustion. Ce sont des hydrocarbures organiques qui, après avoir été soumis à la chaleur et à la pression pendant des millions d'années, ont été transformés en molécules complexes telles que le pétrole, le charbon et le gaz naturel. 
• Oxydes de carbone : molécules ne contenant que des atomes de carbone et d'oxygène, généralement du monoxyde de carbone (CO) ou du dioxyde de carbone (CO2). Les oxydes de carbone sont les émissions les plus courantes résultant de la combustion de carburants contenant du carbone. 
• Oxydes d'azote : molécules ne contenant que des atomes d'azote et d'oxygène. Les deux oxydes d'azote les plus courants résultant de la combustion dans l'air sont le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO2). Toute combinaison de NO et de NO2 est appelée NOx. Les NOx sont une source importante de pollution atmosphérique. 
• Flamme : combinaison chauffée de gaz en combustion. L'intérieur, ou le noyau, d'une flamme est constitué d'un mélange d'oxydant gazeux et de carburant, et l'extérieur, ou le front de flamme, est l'endroit où la réaction de combustion a lieu. La chaleur générée par la réaction excite les électrons présents dans le gaz, et lorsque ces électrons excités retombent à des niveaux d'énergie inférieurs, ils libèrent de l'énergie sous forme de photons. 
• Catalyseur : matériau qui permet d'augmenter la vitesse d'une réaction chimique. Les matériaux catalytiques sont utilisés dans la combustion pour améliorer l'efficacité de la réaction de combustion, pour qu'elle puisse se produire à des températures plus basses, et pour réduire les émissions indésirables comme les NOx. 
• Pyrolyse : décomposition d'un matériau par exposition à la chaleur qui n'implique pas d'oxydation. Lors d'une combustion, le carburant liquide et solide se transforme en gaz qui brûle ensuite par pyrolyse.

Équations chimiques de la combustion

La forme la plus simple de combustion consiste à faire brûler de l'hydrogène. Deux molécules d'hydrogène et une molécule d'oxygène se combinent pour créer de la vapeur d'eau :

2H2 + O2 → 2H2O + 286 kJ/mol de chaleur

De l'énergie est produite sous forme de chaleur, car les molécules d'oxygène sont composées de deux atomes liés par une liaison double. En présence de chaleur, cette liaison se brise et donne lieu à une libération supplémentaire d'énergie. 

L'hydrocarbure le plus simple utilisé comme réactif est le méthane, dont la formule chimique est CH4 :

CH4 + 2O2 →  CO2 + 2H2O + 890 kJ/mol de chaleur

La combustion du méthane génère plus de chaleur par mole, car la molécule de méthane présente quatre liaisons simples entre l'atome de carbone et chaque atome d'hydrogène. 

Le propane, dont la formule chimique est C3H8, présente quant à lui deux liaisons carbone-carbone et huit liaisons hydrogène-carbone :

C3H8 + 5O2 →  3CO2 + 4H2O + 2 220 kJ/mol de chaleur

L'essence est un carburant complexe, mais son réducteur primaire, l'octane, se compose de huit atomes de carbone liés à 18 atomes d'hydrogène. Il en résulte sept liaisons carbone-carbone et 18 liaisons hydrogène-carbone :

2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + 5 483 kJ/mol de chaleur

En théorie, une réaction de combustion stœchiométrique est idéale, car les quantités de carburant et d'oxygène sont parfaitement proportionnées. Elle permet d'obtenir le plus de chaleur possible et une efficacité de combustion maximale. 

Émissions

Lors d'une combustion complète, les émissions de combustion sont constituées d'eau ou, en présence de carbone, d'eau et de dioxyde de carbone. Cependant, la plupart des phénomènes de combustion impliquent d'autres molécules, des réactions incomplètes et des réactions secondaires qui produisent des émissions supplémentaires. Le terme « polluants » désigne toute émission supplémentaire de produits indésirables, et une grande partie de la science de la combustion se concentre sur leur réduction.

Dans la plupart des cas, l'azote de l'air est inerte et ne joue aucun rôle dans la combustion. Cependant, à des températures de combustion élevées, l'oxygène peut former des liaisons avec l'azote pour produire des NOx. De plus, lorsque la quantité d'oxygène disponible est trop faible pour réagir complètement avec le carburant, du monoxyde de carbone peut se former à la place du dioxyde de carbone. Des composés organiques volatils peuvent également se former à basse température pendant la combustion. Ces composés chimiques à bas point d'ébullition réagissent facilement avec d'autres produits chimiques organiques et produisent des polluants indésirables. 

Facteurs influant sur l'efficacité de la combustion

L'efficacité de la combustion est déterminée par une grande variété de caractéristiques. Les ingénieurs peuvent tirer parti de ces facteurs dans leurs conceptions afin d'augmenter l'efficacité de la thermodynamique d'une application de combustion donnée :

• Chimie des carburants : La quantité d'énergie et les émissions libérées par une réaction de combustion sont principalement déterminées par la composition chimique et moléculaire du carburant oxydé. Les liaisons entre les molécules déterminent l'énergie nécessaire pour démarrer la combustion et la chaleur produite. La composition élémentaire du carburant, et en particulier ses composants non constitués d'hydrocarbures, détermine les types d'émissions produites. D'importants travaux sont en cours dans le domaine de la chimie des carburants pour concevoir et améliorer de nouvelles solutions de carburants, comme les gaz synthétiques, les biocarburants ou les carburéacteurs renouvelables, et pour déterminer quels additifs sont susceptibles d'améliorer la chimie des carburants. Grâce à Ansys Model Fuel Library, les ingénieurs peuvent facilement avoir accès aux propriétés des carburants, des plus anciens aux plus récents. 
• Proportion carburant/oxygène : Lors d'une combustion, la réaction d'oxydation est déterminée par la quantité d'oxygène disponible pour réagir avec le carburant. L'objectif est d'obtenir un mélange parfaitement proportionné afin que le combustible brûle complètement et qu'aucune réaction indésirable n'ait lieu. 
• Température : La cinétique chimique de la combustion est déterminée par la température à laquelle la réaction a lieu. Si la température est trop basse, seule une fraction de la quantité totale de carburant sera oxydée, et si la température est trop élevée, il est possible que des réactions indésirables générant des NOx se produisent. 
• Pression : Lors d'une réaction de combustion, plus la pression des gaz est élevée, plus la réaction se produit rapidement et plus la quantité de chaleur générée est importante. C'est pour cela que de nombreuses applications de combustion comprennent une étape de compression des gaz, comme les moteurs à combustion interne et les moteurs à réaction, par exemple. 
• Mélange : Pour que la combustion ait lieu, les différentes molécules impliquées dans la réaction chimique doivent être très proches les unes des autres. De ce fait, la conception du processus de mélange est cruciale pour l'efficacité de la réaction. Les turbulences, la vitesse du gaz et la forme de la flamme déterminent la façon dont ce mélange se produit. 
• Forme et stabilité de la flamme : Comme la réaction de combustion a lieu sur le front de flamme, la forme et la stabilité de la flamme elle-même sont des éléments cruciaux dans la conception d'un système de combustion. Le transfert de chaleur entre la flamme et l'air détermine la température et l'efficacité du processus de combustion. 

Les concepteurs sont confrontés à de nombreux défis pour équilibrer ces différents facteurs. Par exemple, une combinaison de plusieurs facteurs détermine la cinétique chimique de la combustion : le mélange, les proportions des réactifs, la température et la pression. Les ingénieurs ont souvent recours à des outils tels que le logiciel Ansys Chemkin-Pro™ pour simuler les flux de réactifs et optimiser leurs conceptions afin d'obtenir une meilleure efficacité et une quantité minimale de sous-produits et de déchets. Le logiciel Chemkin-Pro permet de modéliser la réaction chimique indépendamment de la géométrie. 

Afin de prendre en compte l'ensemble de ces facteurs dans un environnement virtuel unique, il est essentiel d'utiliser un logiciel de CFD général, comme le logiciel Ansys Fluent, qui permet de définir en détail les turbulences, la modélisation de la combustion, et les flux des divers réactifs. Chaque facteur peut ainsi être étudié, compris et optimisé. Un outil tel que le logiciel Fluent permet de modéliser les caractéristiques de l'écoulement des fluides et de la combustion en trois dimensions. 

Bien que chaque réaction de combustion implique une réaction chimique similaire, la façon dont cette réaction se produit dépend du type de combustion, de l'efficacité et des émissions de la réaction. 

Voici les types de combustion les plus courants : 

• Combustion complète : Lorsque la totalité du carburant est intégralement consommée dans une réaction de combustion, on parle de combustion complète. L'utilisation complète du carburant est idéale, et la conception des systèmes de combustion se concentre sur la réalisation d'une combustion aussi proche que possible de la combustion complète. 
• Combustion incomplète : Lorsque la quantité d'oxygène est insuffisante dans une réaction de combustion, on parle de combustion incomplète. La suie et les cendres, ainsi que le monoxyde de carbone, sont les sous-produits d'une combustion incomplète. Il reste aussi du combustible carbonisé, c'est pourquoi on emploie parfois le terme « carbonisation ». 
• Combustion spontanée : Certaines réactions d'oxydation génèrent suffisamment de chaleur pour démarrer la combustion sans qu'aucun apport extérieur d'énergie ne soit nécessaire. Par exemple, le phosphore peut prend feu spontanément au contact de l'air, de même qu'un chiffon imbibé de certaines huiles ou de certains vernis. Certains procédés de fermentation bactérienne peuvent également générer suffisamment de chaleur pour démarrer une combustion. 
• Feu couvant : Le terme « feu couvant » désigne une combustion lente et sans flamme. Un feu couvant se produit lorsque le processus d'oxydation a lieu à la surface d'un carburant solide plutôt qu'au contact d'un carburant gazeux. Le feu couvant peut également être appelé « combustion lente ». 
• Combustion rapide : Lorsque la combustion a lieu dans une flamme qui dégage de la chaleur et de la lumière, on parle de combustion rapide. La plupart des applications industrielles de la combustion sont considérées comme des combustions rapides. 
• Combustion explosive : Lorsque la vitesse d'une combustion est suffisamment importante et qu'elle provoque une expansion rapide et puissante des gaz, on parle de combustion explosive. La combustion explosive est généralement obtenue en enflammant des produits chimiques qui contiennent à la fois des hydrocarbures et des molécules oxydantes. 

La combustion a de nombreuses utilisations et applications. La plupart des applications de combustion utilisent la chaleur produite pour des réactions chimiques secondaires, comme la cuisson, ou la chaleur est utilisée pour dilater des gaz qui permettent ensuite d'effectuer un travail mécanique, comme dans un moteur à combustion interne. Avant l'invention de l'éclairage électrique, la combustion était la seule source de lumière artificielle. L'électricité remplace également de nombreuses applications de combustion basées sur la chaleur et la pression. 

Voici les utilisations les plus courantes de la combustion :

• Éclairage : Depuis la préhistoire, l'homme utilise la lumière émise par la combustion pour s'éclairer. C'est encore le cas avec les lampes au propane ou à l'huile dans les endroits où il n'y a pas d'électricité, ou quand on utilise une bougie pour apporter une touche de romantisme. 
• Chauffage et cuisson : De même, depuis la préhistoire, l'homme n'a cessé d'utiliser la combustion pour se réchauffer et pour cuire sa nourriture. Avec le développement de la technologie et l'accroissement de la population, le chauffage et la cuisson par combustion ont évolué, et le carburant utilisé est passé du bois ou de la tourbe au charbon, puis au gaz naturel. 
• Feux naturels : La combustion peut se produire de manière naturelle sous forme de feux de forêt et de feux de broussailles, et cela représente une partie importante des systèmes biologiques. Lorsqu'ils ne sont pas créés par l'homme, les feux naturels sont généralement déclenchés par la foudre. 
• Moteurs à combustion interne (MCI) : Lorsque la combustion se produit à l'intérieur d'un piston, le gaz en expansion provoqué par la génération de chaleur peut être converti en énergie mécanique. Le même piston est également utilisé pour comprimer le mélange air-carburant avant la combustion. Les MCI sont des appareils hautement optimisés qui ne cessent d'être améliorés. De nombreux ingénieurs utilisent le logiciel Ansys Forte pour optimiser la combustion singulière et difficile à simuler qui a lieu dans les MCI. 
• Turbomachines pour les moteurs aéronautiques, l'énergie et le pompage : Le gaz en expansion provenant de la combustion peut également être converti en énergie mécanique par l'intermédiaire d'une turbine rotative. L'énergie de rotation est aussi utilisée pour comprimer l'air avant la combustion. Les turbomachines permettent de propulser des avions, d'activer des pompes et de générer de l'énergie électrique.
• Moteur à détonation rotative (RDE) : Au lieu de comprimer mécaniquement le mélange air-carburant dans un moteur grâce au travail mécanique d'une force, les RDE utilisent un front d'onde supersonique se déplaçant dans un anneau pour appliquer une forte pression sur le mélange air-carburant, sans le recours d'aucune pièce mobile. 
• Propulsion de fusée : La propulsion d'une fusée n'est autre qu'une combustion explosive qui n'est pas contenue d'un côté de la chambre de combustion. Les fusées à carburant liquide font appel à de l'oxygène liquide et à un carburant liquide, généralement de l'hydrogène liquide ou du méthane liquide. Les moteurs-fusée à carburant solide utilisent un propergol, constitué d'un mélange d'oxydant et de réactif, tandis que les moteurs-fusée hybrides emploient une combinaison de polymère d'hydrocarbure solide avec un oxydant liquide, comme le protoxyde d'azote ou l'oxygène liquide. 
• Brûleurs industriels : La chaleur générée par la combustion peut également être utilisée dans des applications industrielles pour d'autres procédés chimiques, tels que la distillation ou la fusion de matériaux. Les brûleurs industriels peuvent aussi être utilisés pour faire bouillir l'eau afin de produire de la vapeur, qui peut ensuite être convertie en énergie mécanique ou permettre de transporter la chaleur sur de longues distances, comme le chauffage à vapeur. 

Même si la combustion est l'une des premières technologies à avoir été développées par l'homme, elle progresse encore rapidement grâce à d'importants travaux de R&D et à des avancées majeures concernant les carburants, la cinétique de combustion et des nouvelles applications. Ces efforts réunissent différentes disciplines telles que la chimie, la physique, la mécanique des fluides et l'ingénierie mécanique. 

L'intelligence artificielle (IA) participe également à l'optimisation de la thermochimie de la combustion et aide les ingénieurs à développer de nouvelles méthodes de gestion des températures élevées, nécessaires pour parvenir à une combustion plus propre et plus efficace. 

Une part importante de la recherche sur les carburants se concentre sur l'utilisation de l'hydrogène et des biocarburants, notamment les carburants durables d'aviation (SAF). Bien que l'aviation ne représente que 2,4 % des émissions de carbone, on suppose que le nombre de vols commerciaux va tripler d'ici 2050. Il est donc temps de trouver des sources de carburants durables et ayant moins d'impact sur le changement climatique. 

Pour être considéré comme un SAF, un carburant doit permettre de réduire les émissions d'au moins 50 % par rapport au carburéacteur traditionnel. Des travaux sont également en cours sur l'incorporation d'hydrogène au carburant, ou sur l'utilisation directe de l'hydrogène pour les brûleurs industriels, les MCI et les moteurs à réaction. 

Une amélioration infime, ne serait-ce que de quelques pourcents, pourrait avoir un impact considérable sur le coût de production de l'électricité, ainsi que sur les émissions à long terme. Grâce à l'élaboration de simulations complexes, les scientifiques et les ingénieurs étudient en détail la forme de la flamme, la stabilité de la flamme et le profil de sortie du flux de combustion, dans le but de produire une quantité d'énergie plus importante et de réduire les émissions. 

D'autres groupes de recherche travaillent également sur l'amélioration du bruit audible créé par la combustion, et sur l'amélioration de la combustion grâce à une meilleure modélisation des fluides, notamment la simulation des turbulences. 

Parallèlement à ces améliorations apportées aux carburants et au processus de combustion lui-même, des équipes travaillent sur le développement de nouvelles applications de la combustion dans tous les domaines industriels. La course à la construction d'avions toujours plus rapides donne lieu à de nouvelles avancées dans la conception des statoréacteurs et des superstatoréacteurs, dans lesquels le mouvement rapide de la cellule vers l'avant est utilisé pour comprimer l'air utilisé dans la combustion. Les recherches sur les RDE laissent présager des améliorations majeures de l'efficacité des turbines à gaz naturel utilisées dans la production de l'énergie électrique. Les améliorations apportées aux moteurs diesel, qui consistent à associer des générateurs de puissance constitués de MCI très efficaces avec des transmissions électriques, permettent de réduire les émissions des locomotives et des gros camions. 

Tous ces travaux améliorent la performance des systèmes et contribuent à la réduction des émissions des gaz à effet de serre, les sous-produits de la combustion, pour un avenir plus durable. 

Ressources connexes