Intensification de la Synthèse d'Ammoniac en Régime Dynamique – ISARD

Décarboner la production d'énergie nécessite d'augmenter massivement la part des énergies renouvelables, notamment pour la production d'électricité. Cela nécessite de considérer la flexibilité à court et long terme du réseau électrique national. Une solution consiste à stocker l’électricité sous forme chimique en hydrogène vert (électrolyse de l’eau). Parmi les voies principales de stockage identifiées pour H2, l'ammoniac est pertinent notamment dans le cas du transport maritime longue distance. Aujourd’hui, l’ammoniac est obtenu à partir du procédé Haber-Bosch (HB), un procédé efficace mais dépendant du vaporeformage du méthane (responsable d’environ 1.4% des émissions annuelles de CO2) et énergivore (1.5-2% de la consommation mondiale d’énergie). La recherche de procédés alternatifs, décarbonés, et adaptés à une production décentralisée et intermittente d’électricité est donc une nécessité.
Le projet ISARD (Intensification de la Synthèse d’Ammoniac en Régime Dynamique) étudie la possibilité d’opérer le procédé HB avec de nouveaux catalyseurs dans des conditions opératoires plus douces (<300°C, <10 bars), et propose de le comparer à un procédé de Synthèse d’Ammoniac en Boucle Chimique (SABC) dans lequel le réseau solide (nitrure métallique) joue le rôle de réservoir d’atomes d’azote activé pour la synthèse. Ce procédé, opérable à basse pression, consiste en deux étapes successives : décharge du nitrure sous flux de H2 pour produire NH3 ; recharge du nitrure sous flux de N2. Cette configuration réactionnelle permet de s’affranchir de limites rencontrées dans le cas du procédé HB. Cependant, la quantité requise de solide pour la réaction reste trop importante pour une réalisation industrielle, nécessitant d’intensifier la capacité d’échange gaz-solide. Plusieurs matériaux catalytiques (nitrures et composites hydrures-nitrures) seront préparés et testés pour les voies de synthèse HB et SABC. Sur les meilleures formulations une loi de vitesse sera établie, indispensable à la modélisation des réacteurs. Ces derniers seront utilisés dans un modèle global du procédé intégrant les différentes opérations unitaires de compression, réaction et séparation. Il sera alors possible d’optimiser, pour chaque voie de synthèse, des indicateurs de performances clés (coût actualisé de production, efficacité énergétique) en agissant sur l’architecture et les conditions opératoires. L’intérêt du projet ISARD réside dans la double compétence matériau/procédé et dans le fait de traduire les performances catalytiques à l’échelle du procédé grâce à un modèle multi-échelle. Trois laboratoires sont associés dans ce projet :
- l’UCCS (U. Lille) optimisera les formulations catalytiques. Il synthétisera et caractérisera des matériaux de type A’-Co3Mo3N (A’ étant un dopant). Des composites A’-Co3Mo3N-hydrure métallique seront également synthétisés pour l’application visée, et les formulations prometteuses préparés à l’état divisé.
- l’IC2MP (U. Poitiers) étudiera la réactivité et la stabilité des catalyseurs, ainsi que les mécanismes réactionnels. Il extraira les paramètres cinétiques critiques pour la réaction en configuration HB modéré. Le partenaire développera également un micro-pilote réactionnel permettant l’étude de la réactivité en dynamique pour la configuration en SABC, et extraira les paramètres cinétiques dans cette configuration.
- le LRGP (U. Lorraine), coordinateur du projet, sera en charge de l’établissement des modèles cinétiques à partir des données expérimentales, de la modélisation multi-échelle des réacteurs (pour les voies HB et SABC) et de leur intégration dans le procédé. Le projet s’achèvera avec une comparaison des deux voies sur la base d’indicateurs de performance quantitatifs (économiques, énergétiques, environnementaux) ce qui permettra notamment de conclure quant à la capacité du procédé de répondre à la demande de production d’ammoniac décentralisée en fonctionnement intermittent.