Propriétés physico-chimiques
Gaz naturel – Énergie fossile

BM2591 v2 Article de référence

Propriétés physico-chimiques
Gaz naturel – Énergie fossile

Auteur(s) : Richard TILAGONE, Bertrand LECOINTE

Relu et validé le 01 oct. 2020 | Read in English

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1 - Gaz naturel : un carburant d'avenir ?

Quiz d'entraînement

2 - Composition du gaz naturel

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3 - Propriétés physico-chimiques

3.1 - Pouvoir comburivore et rapport air-fuel stœchiométrique
3.2 - Facteur d'air et richesse
3.3 - Indice de Wobbe
3.4 - Indice de comburité
- Quiz d'entraînement

4 - Analyse des principales caractéristiques

Quiz d'entraînement

5 - Conclusion

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Le gaz naturel est une énergie fossile dont les ressources sont importantes et dont les réserves prouvées augmentent régulièrement. Cette énergie trouve naturellement sa place comme carburant pour les applications industrielles et le transport. Quel que soit son champ d’application, cet hydrocarbure présente des avantages spécifiques qui en font une alternative stratégique tant pour une recherche de diversification énergétique viable, que pour élargir l’offre que constituent les carburants liquides conventionnels.

Après une brève présentation dans cet article du gaz naturel en tant qu’énergie fossile, la composition du gaz naturel et les caractéristiques physico-chimiques qui en découlent seront analysées et confrontées aux attentes des motoristes

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Auteur(s)

Richard TILAGONE : Chef du département Moteur IFPEN Lyon - Ingénieur ENSPM, option moteur, et Institut national des sciences appliquées (INSA-Lyon), département Génie mécanique-Construction, France
Bertrand LECOINTE : Chef de projet Moteurs à gaz – IFPEN Lyon - Ingénieur ENSPM, option moteur, et Institut national des sciences appliquées (INSA-Rouen), département Énergétique et Propulsion, France

INTRODUCTION

Le gaz naturel est une énergie fossile dont les ressources sont importantes et dont les réserves prouvées augmentent régulièrement. Cette énergie trouve naturellement sa place comme carburant pour les applications industrielles et le transport. Quel que soit son champ d'application, cet hydrocarbure présente des avantages spécifiques qui en font une alternative stratégique tant pour une recherche de diversification énergétique viable, que pour élargir l'offre que constituent les carburants liquides conventionnels.

Cet article, divisé en deux parties [BM 2 591] et [BM 2 592], étudie dans cette première partie le gaz naturel en tant que carburant pour moteur à combustion interne pour les véhicules de transport terrestres. Bien que représentant des marchés très importants, les applications marines, stationnaires et cogénération ainsi que l'application ferroviaire ne sont pas abordées, sachant que les technologies évoquées dans cet article sont pour une part importante, similaires à celles utilisées pour ces applications. L'objectif est donc de donner un éclairage suffisamment large pour aborder les principaux éléments nécessaires pour estimer le potentiel de ce carburant gazeux. Par souci d'honnêteté, les avantages et les inconvénients ont été systématiquement présentés, cet article n'ayant pas pour vocation la promotion de la filière du gaz naturel véhicule, même s'il y contribue, mais, encore une fois, celle d'en donner les éléments d'appréciation les plus pertinents.

Après une brève présentation du gaz naturel en tant qu'énergie fossile, sa composition et les caractéristiques physico-chimiques qui en découlent seront analysées et confrontées aux attentes des motoristes.

L'analyse des différentes approches technologiques aujourd'hui mises en œuvre et des pistes d'évolution est ensuite présentée dans l'article « Gaz naturel – Carburant pour véhicule » [BM 2 592] en tenant compte des contraintes propres à l'utilisation de carburant gazeux sur un véhicule. Les contextes normatifs et fiscaux seront partiellement abordés dans le « Pour en savoir plus ».

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MOTS-CLÉS

mélange pauvre combustion stoechiométrique énergie transport

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

Version archivée 1 de juil. 2004 par Richard TILAGONE

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-bm2591

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3. Propriétés physico-chimiques

Les caractéristiques du gaz naturel sont parfaitement connues et ont été largement décrites dans différents documents produits par GDF SUEZ. Le lecteur pourra par exemple se reporter à la référence .

Compte tenu des variations importantes de composition, il y a autant de caractéristiques différentes qu'il y a de gaz naturels. Par rapport aux carburants liquides (essence et gazole) dont les spécifications sont en partie dédiées aux caractéristiques de la combustion dans les moteurs à combustion interne, les spécifications concernant le gaz naturel ont initialement été développées pour des utilisations sur brûleurs et fixent les niveaux d'impuretés compatibles avec des aspects logistiques, ou encore le contenu énergétique, mais ne spécifient en rien des caractéristiques liées à l'utilisation comme carburant pour véhicule. Les variations de composition observées compliquent donc sensiblement la tâche du motoriste qui a besoin de connaître la composition et les caractéristiques du gaz naturel consommé par le moteur. Cette démarche indispensable nécessite des moyens d'analyse en ligne (chromatographe, par exemple) potentiellement disponibles lors d'essais de caractérisation au banc moteur, mais non accessibles actuellement lors d'une utilisation sur véhicule pour laquelle il faut se contenter d'une caractérisation moyenne du gaz et éventuellement de stratégies de contrôle moteur permettant de s'adapter à ces fluctuations.

De plus, la plupart de ces caractéristiques sont définies par rapport à des références volumiques, ce qui les rend moins faciles à exploiter pour ceux qui sont sensibles aux valeurs massiques. Il est cependant simple d'établir les relations entre les caractéristiques volumiques et les caractéristiques massiques.

3.1 Pouvoir comburivore et rapport air-fuel stœchiométrique

Le pouvoir comburivore, noté V _a (sans unité), représente le volume d'air nécessaire pour obtenir une combustion complète d'un volume de gaz donné dans les mêmes conditions thermodynamiques :

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