Énergie libérée par la combustion

Nous nous intéressons depuis longtemps à la combustion car elle dégage beaucoup d’énergie. Les réactions chimiques de combustion sont très énergétiques du fait des fortes températures. En effet, celles-ci vont favoriser la décomposition des molécules de combustibles en molécules beaucoup plus stables. Or, grâce aux lois de la thermodynamique, nous savons que le passage d’une molécule à une autre possédant un état plus stable dégage de l’énergie, et cela, indépendamment du chemin suivi et du nombre de réactions intermédiaires.

Si la réaction était adiabatique (pas d’échange d’énergie avec l’extérieur), la température finale de combustion serait maximale, connue sous le nom de température adiabatique de flamme. En considérant un simple bec Bunsen et en se plaçant dans un cas idéal (Éq. I.1) – réaction complète et donc formation exclusive de CO2 et de H2O, nous pouvons déterminer par calcul, ou grâce à

des logiciels de calculs à l’équilibre tels que GASEQ ou Cantera, une température de réaction de 1800 °C. Dans le cas d’un feu de forêt, nous pouvons aussi noter l’existence d’une relation simple pour estimer la température réelle de flamme en fonction du vent qui a été proposée par Chandler (1983) :

T = 850 + 5,08.V (Éq. I.4) Où T est la température de la surface de la flamme en °C et V est la vitesse du vent en m/s.

Cependant, les molécules et les radicaux formés (CO, H2, O2, etc.) absorbent une partie

importante de l’énergie évacuée majoritairement sous forme radiative et convective. Ainsi, la température passe par un maximum (plus faible que la température adiabatique de flamme) puis décroît plus ou moins lentement. Il est donc parfois plus rigoureux de raisonner en énergie dégagée plutôt qu’en température.

La végétation d’une forêt est très hétérogène et partiellement brûlée, il est donc impossible de donner une valeur exacte de l’énergie dégagée à un instant précis à l’échelle d’une forêt, il est cependant possible d’en donner une approximation. En thermochimie, pour calculer l’énergie dégagée, on définit pour cela des enthalpies de réaction à température et pression constantes

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rHT,P associée à l'équation bilan de la réaction. Celle-ci peut être calculée grâce aux valeurs de

l'enthalpie standard de formation de chaque constituant intervenant dans la réaction Hf.

L’enthalpie est définie comme l’énergie totale d’un système thermodynamique. Ces enthalpies de réaction permettent d'avoir accès à l’énergie mise en jeu au cours de la réaction. Dans le cas de la combustion, on parlera de l’enthalpie de combustion ou chaleur de combustion cH0. Cancellieri

(2005) donne des valeurs pour différentes espèces d’arbres et arbustes : 13 MJ/kg pour le pin maritime, 12,9 MJ/kg pour le ciste, 10,5 MJ/kg pour l’arbousier et 10,4 MJ/kg pour la bruyère. D’autres grandeurs peuvent être utilisées pour estimer l’énergie dégagée lors d’un feu de forêt telles que la capacité calorifique à pression constante (Cp) ou encore le PCI et le PCS (pouvoirs

calorifiques). Pour la végétation, le Cp varie de 1400 à 1900 J/(kg.K) et le PCI varie de 16 à 23

MJ/kg (Santoni et Porterie 2015 Porticcio) et il est de 31 MJ/kg pour le charbon de bois (Ciccioli et al. 2014).

L’enthalpie de combustion cH0 permet de calculer l’intensité du feu I en W/m par

l’intermédiaire de la loi de Byram (1959) :

I = cH.R.W (Éq. I.5)

Avec R la vitesse de propagation du front de flamme de l’incendie en m/s et W la masse de combustible brûlée par unité de surface en kg/m². Ce même auteur a, par la suite, créé une relation empirique liant l’intensité du feu à la longueur du front de flamme L en mètres :

L = 0,0775.I0,46 (Éq. I.6) Il est aussi possible de mesurer des valeurs de puissance sur le terrain. Colin et al. (2001) précisent que pour les pompiers, un feu ayant une intensité :

- inférieure à 2000 kW/m peut être maîtrisé par des moyens terrestres - comprise entre 2000 et 4000 kW/m nécessitera des moyens aériens

- supérieure à 4000 kW/m nécessite de lutter par les flancs et non face au front de flamme - À partir de 10 000 kW/m le feu est considéré comme incontrôlable, on parlera de tempête

de feu.

L’intensité d’un feu de cimes peut atteindre 150 000 kW/m alors que celle d’un feu de surface modéré sera d’environ 100 kW/m (Encyclopédie Canadienne en ligne). De son côté, Trabaud

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(1985) a proposé des valeurs d’énergies libérées par différents types de forêt (Tab. I.2) qui vont définir leur combustibilité, soit, leur aptitude à brûler en dégageant suffisamment d’énergie pour entraîner, par transfert de chaleur, l’inflammation des végétaux voisins et donc la propagation de l’incendie.

Formation végétale

Énergie potentiellement libérable (millions de kJ

par ha)

Énergie dégagée lors de la plupart des feux (millions de kJ par ha)

Forêt de chêne vert 360 220

Pinède dense de pin d’Alep 785 440

Pinède claire de pin d’Alep 480 400

Garrigue haute de chêne kermès 360 360

Garrigue basse de chêne kermès 225 225

Garrigue de romarin 310 310

Pelouse de Brachypode de Phénicie 180 180

Tab. I.2. Énergie dégagée lors d’un incendie pour quelques formations végétales (Trabaud 1985) À partir du modèle de Chevrou, Carbonell et al. (2005) ont aussi proposé les valeurs suivantes :

Tab. I.3. Caractéristiques de front de feu calculées par Carbonell et al. (2005)

Silvani et al. (2009) ont, quant à eux, réalisé des mesures sur le terrain à partir de quatre feux dirigés. Des températures de 700 à 900 °C ont été mesurées au niveau du front de flamme. Quant aux valeurs de flux de chaleur maximaux, elles ont été trouvées pour un terrain peuplé de genêts

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de 0,8 m de hauteur, une pente de 20° et un vent de 3,3 m/s. Les valeurs maximales ont été mesurées à 112 kW/m2 sachant qu’elles ont été sous-estimées entre 12 et 51 % dû à la difficulté à mesurer la puissance convective. Nous verrons par la suite comment est dissipée cette quantité importante d’énergie créée lors d’un feu de forêt en détaillant la convection (partie I.4) et le rayonnement (partie I.5) qui sont les principaux vecteurs de cette énergie. Analysons d’abord plus en détail la composition des imbrûlés provenant des réactions incomplètes de combustion durant les fumées des feux de forêt (Éq. I.2) qui va interagir avec la convection.