Adapter des brûleurs, chaudières et turbines existants à l'hydrogène ou aux mélanges hydrogénés est devenu une question d'ingénierie courante. L'hydrogène diffère nettement du gaz naturel sur quelques propriétés critiques, et ces écarts agissent directement sur les hypothèses de conception.
La vitesse de flamme est bien plus élevée
La vitesse de flamme laminaire de l'hydrogène vaut plusieurs fois celle du méthane. La conséquence directe :
Risque de retour de flamme. Dans un brûleur prémélangé, la flamme peut remonter à contre-courant et pénétrer dans la zone de mélange. Une vitesse dans la gaine de mélange sûre pour le gaz naturel peut ne pas l'être pour l'hydrogène. C'est la contrainte la plus concrète rencontrée lors d'une conversion à l'hydrogène.
La température de flamme est plus élevée
Une température de flamme stœchiométrique plus élevée signifie deux choses : les flux thermiques aux parois augmentent, et les NOx thermiques augmentent exponentiellement. Appauvrir le mélange pour faire baisser la température est le remède, mais cela resserre la marge de stabilité. Voir la note sur les NOx et la note sur la stabilité de flamme.
La masse volumique est très faible
Transporter la même énergie exige un débit volumique bien plus grand. Les lignes de combustible, les vannes et les injecteurs existants sont dimensionnés sur les volumes du gaz naturel ; avec l'hydrogène, ces mêmes lignes sont sous-dimensionnées ou la perte de charge devient inacceptable.
La faible masse volumique signifie aussi qu'en cas de fuite le gaz monte rapidement et s'accumule au plafond — la conception de la ventilation doit en tenir compte, et c'est un problème de convection naturelle et de dispersion.
Le caractère du rayonnement est différent
Une flamme d'hydrogène ne produit pas de suie et la vapeur d'eau est l'émetteur dominant. Le rayonnement qui atteint la paroi a une structure spectrale différente de celle d'une flamme d'hydrocarbure ; une approche de gaz gris calée sur les hydrocarbures produit avec l'hydrogène une erreur systématique [1]. Voir la note sur le rayonnement.
Un avertissement de modélisation
La forte diffusivité de l'hydrogène crée des effets de diffusion préférentielle : la fraction de mélange locale s'écarte de ce que prévoit une simple hypothèse de fraction de mélange. Les modèles de combustion fondés sur le mélange demandent donc plus de précaution avec l'hydrogène.
Références
- Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.