Modélisation et Validation expérimentale d’un réacteur catalytique et optimisation du procédé pour la production de e-Biocarburants

Les procédés « Biomass-to-liquid » visant une gazéification de biomasse en syngaz (mélange mélange CO+CO2+H2) puis une transformation de ce syngaz par une synthèse Fischer-Tropsch visant la production de différents carburants (kérosène, diesel, gasoil marin) connaissent un essor ces 20 dernières années. Plusieurs démonstrateurs ont été développés, notamment en Europe. Cependant, le trop faible ratio H/C du syngaz résultant de la gazéification nécessite une recirculation voire le rejet du CO2 en sortie du procédé ce qui complexifie les séparations et a un impact négatif sur la valorisation du carbone biosourcé.
Récemment, la possibilité d’effectuer, au sein d’un même réacteur catalytique, la réaction de Reverse Water Gas Shift (RWGS) et la réaction de Fischer-Tropsch (FT) à l’aide de catalyseurs à base de fer et de différents promoteurs a été démontrée (Riedel, 1999) et reproduite dans le cadre de plusieurs thèses CEA/CP2M (Panzone, 2019 ). Elle ouvre de nouveaux potentiels pour valoriser au mieux l’ensemble du contenu carboné de la biomasse à condition de compléter le syngaz par un apport d’hydrogène issu d’électricité renouvelable.
L’objectif de la thèse se concentre sur l’hydrogénation directe d’un mélange CO/CO2 en hydrocarbures qui consiste à enchainer au sein du même réacteur les reactions de RWGS et la synthèse Fischer-Tropsch . Il s’agit de modéliser cette synthèse catalytique dans un réacteur à lit fixe dans des conditions représentatives d’un procédé industriel de PBtL afin d’en optimizer le fonctionnement.

Modélisation d’un procédé flexible de production de méthanol adapté à une production de kérosène

Pour décarboner les transports aériens, l’utilisation d’une part croissante de SAF (Substitute Air Fuels) moins carbonés sera obligatoire. Un des procédés les plus étudié est le MTO (Methanol To Olefins) qui consiste à produire du méthanol à partir de capture carbone et d’électrolyse de l’eau, puis de le faire réagir pour produire des oléfines.
Les travaux de simulations de ce procédé précédemment effectués au LSET considéraient un fonctionnement continu de l’installation (modélisations sous ProSim Plus).

Question scientifique à traiter
Dans l’optique de décarbonation du e-kérosène, l’utilisation d’électricité ENR semble primordiale, ce qui implique l’étude du procédé en régime dynamique.

Techniques d’études
Le système complet (capture CO2, électrolyse haute température, boucle méthanol, réaction MTO et purifications) devra être simulé en régime dynamique. Le logiciel considéré est Dymola pour la partie process. Il pourra être ensuite être adapaté pour être intégré dans un système plus large avec PERSEE
Plusieurs modes de contraintes sur le système sont envisageables (profil ENR, courbe de demande kérosène,…).

Résultats attendus
Le modèle dynamique devra donner:
Taille et coût des équipements;
Taille et position des stockages optimums;
Besoins énergétiques et efficacité du système;
Coût du kérosène produit.

Modélisation ab-initio des propriétés de l’oxyde de praséodyme pour l’électrolyse haute température

Les cellules à oxyde solide (SOC) sont des systèmes de conversion d'énergie réversibles et efficaces pour la production d'électricité et d'hydrogène décarboné. Elles sont aujourd'hui considérées comme l'une des solutions technologiques clés pour la transition vers un marché de l'énergie renouvelable. Un SOC est constitué d'un électrolyte dense pris en sandwich entre deux électrodes poreuses. À ce jour, la commercialisation à grande échelle des SOC nécessite encore l'amélioration de leurs performances et de leur durée de vie. Dans ce contexte, les principales limitations en termes d'efficacité et de dégradation des SOCs ont été attribuées à l'électrode à oxygène conventionnelle en La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3. Pour résoudre ce problème, il a récemment été proposé de remplacer ce matériau par une électrode alternative basée sur le PrOx. En effet, ce matériau présente une activité électro-catalytique élevée pour la réduction de l'oxygène et de bonnes propriétés de transport. Les performances des cellules incorporant cette nouvelle électrode sont prometteuses et pourraient permettre d'atteindre les objectifs requis pour une industrialisation à grande échelle (c.-à-d -1,5A/cm2 à 1,3V à 750°C et un taux de dégradation de 0,5%/kh). Cependant, il a également été démontré que le PrOx subit des transitions de phase en fonction des conditions de fonctionnement de la cellule. L'impact de ces transitions de phase sur les propriétés de l'électrode et sur ses performancesest encore inconnu. Par conséquent, l'objectif de ce doctorat est d'acquérir une compréhension approfondie des propriétés physiques du PrOx et leur influence sur la performance de l'électrode à l’aide d’une méthodologie combinant des calculs ab-initio et la modélisation électro-chimique.

Top