Valorisation du CO2 par voie thermochimique solaire pour la production de combustible synthétique – CO2FUEL

La réduction des émissions de CO2 implique à long terme une réduction importante de l?utilisation des énergies fossiles et un recours plus important aux énergies non émettrices de GES. Une solution de transition pourrait être la capture et la séquestration du CO2. Le projet CO2FUEL propose comme solution durable de recycler et de valoriser le CO2 émis par les procédés industriels. L?objectif du nouveau procédé solaire est de réduire chimiquement le dioxyde de carbone pour permettre sa conversion finale en hydrocarbure. L?étape initiale est la dissociation de CO2 en CO à partir de l?énergie solaire. L?approche proposée consiste à utiliser un procédé cyclique permettant de produire CO et O2 séparément en deux étapes distinctes. Le procédé thermochimique à développer met en ?uvre des systèmes redox à base d?oxydes métalliques qui permettent une diminution importante de la température de dissociation du CO2. La source d?énergie solaire et CO2 sont les seules entrées au procédé, CO et O2 sont les uniques produits. Par la suite, CO peut être utilisé pour produire H2 par la réaction de shift exothermique (CO + H2O --> CO2 + H2, DH° = -41 kJ/mol). Cette voie est une alternative au procédé actuel de reformage du gaz naturel, permettant une économie de combustibles fossiles et une réduction des émissions de CO2. De plus, à l?aide de procédés conventionnels (synthèse Fischer-Tropsch), H2 et CO produits par voie solaire peuvent être combinés pour la synthèse de carburants liquides synthétiques, comme le méthanol ou même l?essence déjà compatibles avec les infrastructures existantes. Comme les ressources fossiles s?amenuisent, la synthèse de combustibles synthétiques pourrait devenir une alternative intéressante, permettant la transition vers une future économie de l?hydrogène. Le procédé global qui convertit l?eau et le CO2 en combustible solaire, équivaut à inverser le processus de combustion. Le projet CO2FUEL vise à développer les procédés thermochimiques innovants permettant la production de CO à partir de CO2 et de l?énergie solaire. Le projet se focalise sur des procédés cycliques à 2 étapes mettant en oeuvre uniquement des oxydes métalliques non nocifs comme composés intermédiaires. Ces composés sont recyclés et peuvent donc être considérés comme catalyseurs pour la réaction de dissociation de CO2. Deux types de systèmes redox sont proposés opérant dans le domaine de température 1200-1700°C : les oxydes simples (par exemple, Fe3O4/FeO, ZnO/Zn, SnO2/SnO, ?) et les oxydes mixtes comme les ferrites, (Fe1-xMx)3O4 / (Fe1-xMx)1-yO. Ces derniers sont proposés car la température maximale du procédé pourrait être inférieure à 1400°C. Les recherches proposées ont pour objectifs d?identifier et optimiser les systèmes thermochimiques à 2 étapes par des études thermodynamiques et expérimentales (étude de la réactivité chimique des systèmes et cinétique des réactions, méthodes d?élaboration et de mise en forme, caractérisation physico-chimique des matériaux), concevoir et évaluer les récepteurs/réacteurs solaires appropriés, et développer des modèles détaillés (en particulier rayonnement) permettant de simuler le fonctionnement global des réacteurs. Concernant les systèmes redox basés sur des oxydes simples, les réactions de réduction de MxOy à haute température et les réactions de dissociation de CO2 seront étudiées en parallèle afin de définir les conditions opératoires optimales (température, pression, trempe), et de comparer les performances caractéristiques des systèmes (rendements chimiques et cinétiques). Concernant les oxydes mixtes, des méthodes de synthèse et de mise en forme de composés actifs pour la dissociation de CO2 seront développées. Différentes compositions d?oxydes mixtes seront élaborées afin d?étudier leur réactivité en fonction de la nature et de la proportion du dopant M dans le composé. Les étapes de réduction (activation libérant O2) et de génération de CO seront caractérisées. Ces oxydes mixtes seront imprégnés sous forme de couches déposées dans des supports en céramique (monolithes type nid d?abeilles ou mousses poreuses) jouant le rôle d?absorbeur du rayonnement et pouvant être intégrés par la suite dans un réacteur solaire. La mise en ?uvre de ces procédés solaires cycliques nécessite la maîtrise des systèmes réactifs à haute température (propriétés thermochimiques, cinétiques chimiques acceptables, relations entre structure/composition et réactivité, tenue au cyclage), ainsi que la conception, le développement et l?évaluation de réacteurs solaires (interface rayonnement/réacteur, résistance des matériaux et compatibilité chimique, expérimentation, modélisation). Deux réacteurs solaires prototypes (2 kWth) adaptés à chaque système thermochimique seront développés et caractérisés. Des modèles spécifiques de transferts radiatifs seront développés puis intégrés dans un modèle global de réacteur afin de simuler son fonctionnement, optimiser ses performances, et extrapoler le système.