Des turbines à gaz plus propres grâce à la fabrication additive
Cette nouvelle technologie est compatible avec de nombreux types de carburants et vise à faire avancer la transition énergétique
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Les turbines à gaz permettent de produire de l’électricité à partir de gaz naturel lorsque l’énergie solaire et éolienne ne suffisent pas à couvrir les besoins énergétiques. L’objectif est de les faire fonctionner en émettant le moins de carbone possible, en utilisant de l’hydrogène, du méthanol ou d’autres carburants synthétiques. Des chercheurs de l’université de Stuttgart développent des systèmes d’injection pour des turbines à gaz compactes, capables de brûler proprement une grande variété de carburants et pouvant être intégrés directement dans le brûleur grâce à la fabrication additive.
« Il n’est plus rare d’utiliser la fabrication additive pour construire des turbines à gaz. Cependant, cela n’a généralement pas été le cas pour l’un des composants les plus importants : les systèmes d’injection qui pulvérisent le carburant dans la chambre de combustion », explique le Dr Fabian Hampp, responsable d’un groupe de recherche junior à l’Institut des technologies de combustion pour l’aéronautique (IVLR) de l’université de Stuttgart.
En collaboration avec le professeur Hans-Christian Möhring, directeur de l’Institut des machines-outils (IFW) de l’université de Stuttgart, et le Dr Oliver Lammel, chercheur senior à l’Institut des technologies de combustion du Centre aérospatial allemand (DLR), Hampp vise à combler cette lacune en matière de recherche et développement et à produire un injecteur pour turbines à gaz compactes à l’aide de la fabrication additive, afin de réduire les coûts et de permettre une combustion à faibles émissions d’une large gamme de carburants, notamment l’hydrogène, les e-carburants et les carburants conventionnels. Dans le cadre du projet de transfert « Concepts de micro-injection issus de la fabrication additive comme catalyseurs de systèmes de combustion polyvalents et à faibles émissions » (AMFlexInj), l’équipe vise à tester ce nouveau procédé en vue d’une application à grande échelle.
Une technologie issue des turbines d’aéronefs permet une combustion à faible émission de suie et d’oxydes d’azote
La combustion de gaz ou de liquides contenant du carbone (par exemple, l’essence, le kérosène, le gaz naturel, le méthanol et d’autres carburants synthétiques) peut dégager de la suie et des oxydes d’azote, deux émissions qu’il convient de réduire au minimum car elles sont nocives pour l’environnement et la santé humaine. « Comme la suie et les oxydes d’azote se forment principalement lorsque le carburant et l’air ne sont pas suffisamment bien mélangés, les systèmes d’injection de carburant sont conçus pour produire un brouillard de carburant aussi fin que possible et un mélange homogène », explique M. Hampp.
C’est également la raison pour laquelle, du moins pour les petites turbines, les injecteurs n’ont pas encore été fabriqués à l’aide de la technologie d’impression 3D. Dans le procédé conventionnel de fusion sur lit de poudre métallique, une fine couche de poudre métallique est répartie sur une plate-forme de fabrication, puis fondue localement par un laser. Une fois le matériau solidifié, la plate-forme de fabrication est abaissée, une nouvelle couche de poudre est appliquée, et le processus est répété couche par couche jusqu’à ce que la pièce soit entièrement construite. Les structures complexes telles que les parois, les cavités et les passages de raccordement prennent forme couche par couche. « Le problème est que les surfaces de ces structures imprimées ne sont jamais parfaitement lisses. Cela pose des difficultés lorsqu’il faut injecter une quantité précise de carburant dans une chambre de combustion sous forme de fine brume à travers de très petites ouvertures », explique M. Möhring.
Les groupes de recherche ont toutefois conçu un système d’injection qui fonctionne malgré la rugosité des composants imprimés en 3D. Les méthodes de fabrication additive développées à cette fin ont permis aux chercheurs de miniaturiser un principe utilisé dans les turbines d’avion et de l’intégrer pour la première fois dans la conception d’un nouvel injecteur. « Cela nous a permis d’obtenir des processus de combustion très propres en laboratoire », explique Möhring. Cela pourrait réduire considérablement les coûts de fabrication des turbines à gaz, car les brûleurs et les chambres de combustion sont souvent déjà produits par fabrication additive.
Les buses d’injection fonctionnent avec des carburants allant de l’hydrogène au kérosène
Les systèmes d’injection sont généralement conçus pour un type de carburant spécifique, mais les nouveaux injecteurs fonctionnent avec une grande variété de carburants. L’hydrogène, le gaz naturel et le kérosène, relativement visqueux, présentant des propriétés très différentes, un mélange air-carburant optimal n’est généralement possible que pour un carburant spécifique. « Cependant, la conception particulière de nos buses permet de brûler proprement une large gamme de carburants », précise Hampp. Cette flexibilité est importante, car on ne sait pas encore clairement quels carburants alimenteront à terme les turbines à gaz. La possibilité de moderniser les anciennes turbines avec cette nouvelle technologie d’injection pourrait également contribuer à réduire la dépendance géopolitique vis-à-vis de certaines sources d’énergie.
Jusqu’à présent, l’injecteur n’a été testé qu’en conditions de laboratoire. Les équipes de recherche prévoient désormais d’optimiser le processus de fabrication additive et la géométrie de la buse avant de construire un prototype et de le tester avec divers carburants en conditions réelles, en collaboration avec le DLR de Stuttgart. L’objectif est d’allier flexibilité en matière de carburants à une densité de puissance élevée, de faibles émissions et des coûts réduits.
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