Kérosène

Le kérosène fut d'abord connu dans le monde occidental comme le « pétrole lampant ».

Au X^e siècle, le savant perse Rhazès décrit la distillation du pétrole permettant d'obtenir du pétrole d'éclairage dans son Livre des secrets[6].

En Occident, c'est le physicien et géologue canadien Abraham Gesner[7] qui a effectué en 1846 la première démonstration publique d'un liquide d'éclairage qu'il nomme « kérosène », du grec κηρός / kêrós, « cire ».

Au départ obtenu à partir de charbon, puis de pétrole, le kérosène est un liquide économique, qui a supplanté l'huile de baleine dans les lampes à huile ou les lampes à pétrole ; on l'appelait aussi « pétrole lampant ». Il s'agit de la « première source de lumière efficace, abondante et pas chère dont ait jamais disposé l'humanité »[8]. Cet usage a été abandonné lors de l'avènement des lampes à incandescence.

Son usage en aviation est principalement dû à son fort pouvoir calorifique de 43,15 MJ kg⁻¹ pour le Jet A1, qui autorise une plus grande autonomie à masse embarquée égale, ou, en d'autres termes, qui permet d'alléger la masse totale à emporter à autonomie constante.

Comme carburant pour l'aviation, le kérosène doit remplir des conditions particulières, notamment au niveau de ses propriétés physiques. Le carburant pour avion est ainsi un kérosène particulier ayant notamment un point de congélation très bas (−47 °C pour le Jet A1[9]), car à 11 000 mètres d'altitude, la température externe est proche de −56,5 °C.

Le kérosène et ses dérivés, de par son pouvoir calorifique et ses caractéristiques physico-chimiques déjà connues, fut un carburant de choix lors de la réalisation des premières fusées et lanceurs orbitaux, et le reste jusqu'à ce jour. Bien que certains lanceurs puissent utiliser des grades de kérosènes initialement prévus pour l'aviation (grade T-1 pour Soyouz, bien qu'une transition vers le grade RG-1 ait été engagée, Jet A pour certains vols de RS1, etc.)[10] - [11], les puissances spatiales développèrent des grades spécifiques à l'utilisation dans le domaine spatial, comme le RP-1 aux États-Unis, encore largement utilisé (Saturn V, Atlas V, Falcon 9, etc.)[12], le RG-1 en Union Soviétique puis en Russie moderne, également parfois surnommé « naphthyle » (Zenit, Energuia, N-1, Angara, partiellement Soyouz, etc.)[13], ou encore un grade de kérosène spécifique en Chine, différant également des autres (certaines Longue Marche)[14].

Permettant une manipulation simplifiée comparé aux autres ergols (cryotechniques ou hypergoliques notamment), le kérosène dispose également d'une densité assez élevée même à température ambiante, rendant son utilisation attrayante. Toutefois, les limitations du carburant poussèrent les soviétiques à développer de nouvelles espèces chimiques, comme la syntine (1,2-Dicyclopropyl-1-méthylcyclopropane), ou le boktane (1,1-Dicyclobutyle), devant remplacer le kérosène sur sa flotte de lanceur, présentant de meilleures caractéristiques. La situation économique du pays peu après la chute de l'URSS empêchera cette transition, la production de ces carburants de synthèse ayant été stoppée[15].

Le kérosène est un mélange d'hydrocarbures obtenu par raffinage du pétrole. Selon le niveau de raffinage, il est classé en plusieurs catégories dont les plus connues sont :

• le TR0 de densité moyenne 0,79 est le plus répandu ;
• le TR4 plus volatil que le TR0 mais de densité équivalente (de moins en moins utilisé car il pose des problèmes de tenue des pompes à carburant) ;
• le TR5 qui a un haut point d'éclair et qui a une densité moyenne 0,81, il est employé sur les porte-avions.

Le coefficient de dilatation volumique du kérosène est de 0,000 7 K⁻¹.

Le kérosène est un hydrocarbure saturé de premier type ou alcane. Sa formule moyenne est C₁₀H₂₂. L'oxydation du kérosène par l'oxygène donne de la vapeur d'eau et du gaz carbonique en dégageant de la chaleur. Le pouvoir calorifique inférieur de cette combustion est de 10 300 kcal par kilogramme de carburant.

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) d'une réaction chimique exothermique est la quantité de chaleur cédée à l'extérieur quand on a ramené les produits de la réaction dans leur état vapeur sans récupérer leur chaleur latente de vaporisation.

L'équation chimique de la réaction s'écrit :

2 C₁₀H₂₂(l) + 31 O₂(g) → 20 CO₂(g) + 22 H₂O(g)

On définit la richesse en carburant du mélange carburant/oxygène par le rapport de la masse de carburant à la masse d'oxydant. Dans le cas de la réaction complète équilibrée, on dit de cette richesse qu'elle est stœchiométrique

Dans le cas du turboréacteur, la combustion du kérosène se fait dans l'air et non dans l'oxygène pur ; l'équation de la réaction est alors la suivante (dans le cas d'une combustion parfaite sans production de NO_x) :

2 C₁₀H₂₂ + 31 (O₂ + 4 N₂) → 20 CO₂ + 22 H₂O + 124 N₂

La température de fin de combustion du mélange carburé (kérosène/air) est donnée par l'équation suivante : C_p × (T₂ − T₁) = α × Pceff avec :

• C_p : chaleur massique à pression constante de l'air ;
• T₂ : température de fin de combustion ;
• T₁ : température d'entrée du mélange carburé ;
• Pceff : pouvoir calorifique efficace, inférieur à PCI (pouvoir calorifique inférieur), car la vapeur d'eau et le gaz carbonique, en se dissociant sous l'effet de la forte température, absorbent une partie des calories libérées par la combustion ;
• α : richesse injectée ou quantité de carburant suffisante et inférieure à la richesse stœchiométrique dans l'oxygène pur.

Les biokérosènes (ou bio-kérosènes) sont des alternatives au kérosène produites à partir de la biomasse et incorporables (drop-in) au kérosène « fossile » (Jet A/Jet A-1) sans besoin d'adaptation de leur usage, de leur maintenance et de la logistique d’approvisionnement associée.

En octobre 2014, la société Air France a commencé à utiliser un biokérosène issu de la fermentation du sucre de canne pour certains vols entre Toulouse et Paris. « Ce biocarburant permettrait de réduire de 80% les émissions de gaz à effet de serre par rapport au kérosène d’origine fossile »[16].

Pour être certifié par l'Union européenne, un biokérosène doit émettre au moins 60 % de gaz à effet de serre en moins par rapport au kérosène d'origine fossile. Les biocarburants terrestres permettent d'atteindre une réduction des émissions de 80 %[17].

De 2011 à fin 2017, plus de 45 000 vols commerciaux d'une vingtaine de compagnies aériennes avaient eu recours au biokérosène à titre expérimental. En 2015, l'Union européenne a consommé 41,6 Mtep de kérosène (8,6 % des produits pétroliers), tandis que la consommation de biocarburants (éthanol + biodiesel) s'élevait à 14,2 Mtep[18].

L'ingestion de kérosène est néfaste ou fatale ; le contact avec la peau peut provoquer des brûlures[33] - [34].

Les employés peuvent être exposés au kérosène sur leur lieu de travail en le respirant, en l'ingérant, par contact avec la peau, ou contact oculaire. Le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) des États-Unis a défini un seuil réglementaire de 100 mg/m³ pour une période de huit heures de travail journalier[35].