Développement d'un réacteur plasma hybride pour la conversion du CO2 en méthanol

Un des plus grands enjeux du 21ième siècle est la transition vers les énergies renouvelables et la réduction des taux d’émission du CO2 dans l’atmosphère. Dans certains secteurs tels que la chimie, ainsi que les transports et plus particulièrement l’aviation, il est néanmoins difficile de remplacer les hydrocarbures d’origine fossile par d’autres vecteurs d’énergie tels que le photovoltaïque et l’hydroélectrique. Dans ce projet, il est proposé de synthétiser des hydrocarbures, et plus particulièrement du méthanol, à partir de CO2 (directement capté depuis l’air) dans un réacteur plasma hybride. Ce procédé de synthèse permettra de produire avec des sources d’électricité renouvelables des hydrocarbures ayant une contribution nette aux taux d’émission anthropiques de CO2 nulle. Ce projet se base sur l’expertise du candidat dans le design et l’étude de réacteurs plasma pulsés et le contrôle de leur chimie.

Les plasmas ont un potentiel important démontré ces dernières années pour la conversion du CO2 (réaction complète: CO2 + énergie –> CO + ½ O2), une étape critique pour la synthèse de carburants, et cela sans l’utilisation de terres rares ou métaux nobles. Une limitation des plasmas comparée aux procédés classiques électrochimiques est que l’oxygène et le CO sont produits sous la forme d’un mélange gazeux et une étape supplémentaire de séparation est donc nécessaire. Le concept novateur de ce projet est le design d’un réacteur plasma pour la production de CO avec capture chimique intégrée de l’oxygène produit qui réutilise additionnellement la chaleur restante du procédé pour la conversion catalytique du CO en méthanol. L’oxygène produit par le plasma sera réduit sur un lit de charbon de bois (produit à partir de biomasse) et permettra de récupérer une partie de l’énergie du plasma micro-ondes. Cette étape peut, théoriquement, doubler l’efficacité du procédé plasma avec le recyclage des atomes d’oxygène en CO et la réaction à haute température du CO2 via le procédé CO2 + C –> 2 CO. Ce réacteur modulaire permettra de faire sauter un verrou technologique pour l’application des plasmas afin de valoriser le CO2 en carburants carboneutres.

La pulsation rapide de la puissance et synchronisation avec le temps de résidence du gaz est un moyen efficace de contrôler la distribution spatiale de la température du CO2 dans le réacteur. Ce projet sera basé sur l’utilisation d’un générateur micro-ondes pulsé ultra rapide permettant de contrôler finement le dépôt spatio-temporel de l’énergie dans le volume du réacteur plasma micro-ondes et l’excitation et la dissociation des molécules de CO2. Cette étape sera critique, en combinaison avec la géométrie d’injection du gaz pour optimiser le transfert de chaleur pour l’étape de recyclage de l’oxygène et de réduction du CO en méthanol avec une efficacité énergétique globale élevée. Pour l’étape d’hydrogénation, un lit de catalyseur industriel (Cu–ZnO–Al2O3) sera utilisé pour la première démonstration d’un réacteur hybride basé sur un plasma micro-ondes afin de réduire du CO2 en carburant liquide. Ce projet permettra la formation d’un PHQ en génie chimique et sur les technologies plasma pour la synthèse de carburants carboneutres.