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08/10/2019

Vers un nouveau système énergétique pour les transports sans émission de gaz à effet de serre : le projet ANR STELLAR

Face à l’épuisement des ressources primaires d’énergie, et à la problématique des émissions de gaz à effet de serre dans un contexte de changement climatique, des solutions énergétiques et économiquement viables sont nécessaires pour rendre compatible les secteurs des transports et de l’énergie avec la transition énergétique. Le projet ANR STELLAR envisage, pour les transports, un système énergétique alimenté par des particules métalliques. Entretien avec Fabien Halter, chercheur au sein du laboratoire ICARE du CNRS et coordinateur du projet.

Dans quelles mesures les poudres métalliques semblent constituer un bon carburant renouvelable alternatif ?  

Fabien Halter : Les particules de métaux présentent une très bonne densité d'énergie, similaire aux hydrocarbures liquides, ce qui motive notamment leur utilisation pour propulser des fusées et permet une autonomie beaucoup plus grande, dans un contexte de transport, qu'un véhicule purement électrique. Ces particules peuvent libérer de la chaleur en brûlant, et ce, sans émettre de dioxyde de carbone. Leur combustion avec l’oxygène de l’air produit des oxydes métalliques qui peuvent être collectés en vue d’être recyclés, en utilisant des sources d’énergie primaire propres un nombre infini de fois tout en évitant les pertes de matière dans l’environnement. De plus, les poudres métalliques de taille micrométrique sont facilement transportables et ont une durée de vie pratiquement illimitée lorsqu'elles sont protégées de l'humidité. Ce concept prometteur est à l’étude au sein du projet ANR STELLAR (2018-2021). 

En quoi consistent les premiers travaux menés et les futurs développements envisagés au sein du projet ?

F. H : Des études initiales ont démontré la faisabilité de l’utilisation de particules métalliques comme source de chaleur, et de la transformation inverse d’oxyde en poudre réactive grâce à l’énergie solaire. Cette boucle d’utilisation des particules peut être appliquée à plusieurs modes de transport, comme illustré sur la figure 1 pour un exemple particulier de véhicule hybride particules métalliques / électrique.

Un dispositif développé au sein du laboratoire CNRS PROMES, dans le cadre de travaux antérieurs, démontre la faisabilité de la réduction d’oxydes métalliques en utilisant l’énergie solaire concentrée, et en utilisant le carbone comme agent réducteur et l’argon comme gaz vecteur. Une nouvelle installation récemment conçue (réacteur Sol@rmet) a permis d'obtenir des poudres de magnésium et d'aluminium presque pures avec des rendements proches de 60%. Actuellement, les principaux problèmes de la réduction carbothermique des oxydes métalliques étudiés sont liés à la formation de sous-produits non désirés, ce qui limite le rendement de conversion. L’amélioration de ce rendement est au cœur des missions du projet STELLAR.

Peu de systèmes énergétiques alimentés par des particules métalliques existent à travers le monde. Les équipes françaises de Mulhouse (LGRE) et d’Orléans (ICARE) ont récemment mis au point deux systèmes qui permettent de stabiliser une flamme alimentée par des particules métalliques. Ces systèmes ont été caractérisés en termes de dégagement de chaleur, d’efficacité de combustion et d’émissions d’oxydes d’azote et de produits générés. Le projet STELLAR s’attachera à rendre compatible cette source de chaleur avec les contraintes liées à la mobilité (températures mises en jeu, produits générés…). Ces travaux ont donné lieu à de nombreuses publications scientifiques et communications nationales et internationales.

En ce qui concerne le processus de recyclage, les équipes du projet étudieront les paramètres qui contribuent à réduire les exigences de température et, par conséquent, les coûts de processus attendus. Les travaux réalisés viseront à mieux comprendre l’impact des caractéristiques de la poudre métallique (métal considéré, taille, morphologie) et des paramètres thermodynamiques sur les performances du brûleur en termes de température, de dégagement de chaleur, de stabilité de la flamme, d’efficacité de combustion, d’émissions d’oxydes d’azote et de produits générés (particules oxydées). Il s’agira de mettre en évidence les principaux paramètres d'influence permettant de contrôler la source de chaleur et de garder à bord toutes les particules oxydées avec des systèmes de filtration efficaces. L'intégration de cette source d'énergie dans un système global sera étudiée, tout comme l’évaluation du risque lié au stockage, à la distribution et à l’utilisation des poudres de métal.

Quelles sont les perspectives potentielles pour les secteurs de l’automobile, de l’énergie ou de l’aéronautique ?

F.H. : L’accompagnement du partenaire industriel sur ce projet garantit que les développements proposés reposent sur des hypothèses industrielles réalistes, quelle que soit l’application envisagée (aéronautique, automobile, énergie, métallurgie). La démonstration de la viabilité d’un vecteur énergétique alternatif à empreinte carbone neutre devrait susciter un intérêt important chez les acteurs des secteurs du transport et de l’énergie. De plus, les avancées sur la réduction solaire pourront être valorisées par le secteur de la production et du recyclage des métaux.

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Les partenaires du projet STELLAR

Financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR), STELLAR regroupe 4 partenaires : l’Institut de combustion, aérothermique, réactivité et environnement – ICARE (CNRS), le Laboratoire procédés, matériaux, énergie solaire - PROMES (CNRS), PSA ID, et le Laboratoire de gestion des risques et environnement – LGRE (Université Haute-Alsace).

En savoir plus :

Le projet STELLAR

Documentaire vidéo : Le carburant du futur sera-t-il une poudre métallique ?, Le Journal du CNRS et Le Monde

Quelques références :

P. Laboureur, C. Chauveau, R. Lomba, C. Dumant, Radiation heat loss and solid combustion products characterisation of premixed Al-air flames. 27th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Beijing, (2019)

Laraqui D., Allgaier O., Schönnenbeck C., Leyssens G., Brilhac J.-F., Lomba R., Dumand C., Guézet O., Experimental study of a confined premixed metal combustor: Metal flame stabilization dynamics and nitrogen oxides production, Proc. Combust. Inst 37 (3) (2019) 3175-3184.

Puig J., Balat-Pichelin M. Experimental carbothermal reduction of MgO at low pressure using concentrated solar energy. Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy, 54 (1), (2018) 39-50.