Membranes céramiques MIEC obtenues par fabrication additive pour la production de carburants solaires – MEMBRASOL

La production de combustibles de synthèse renouvelables est un défi majeur pour la prochaine décennie en vue de décarboner les secteurs des transports et de l’énergie. Ce projet propose de développer une approche innovante et flexible alternative à l’électrolyse, sans utilisation d’électricité. Les procédés thermochimiques représentent une voie thermodynamiquement favorable pour la production décarbonée de combustibles, car ils permettent de convertir l’ensemble du spectre solaire en chaleur à haute température sans catalyseurs ou production intermédiaire d’électricité, permettant ainsi des efficacités élevées. La voie thermochimique proposée produit directement différents carburants solaires comme l’hydrogène, le syngas avec un rapport CO:H2 requis pour la synthèse de carburants liquides, ou bien l’ammoniac, à partir de l’eau, de CO2, d’air et d’énergie solaire concentrée comme seules entrées du procédé.
L’approche considérée est une thermolyse directe isotherme impliquant des membranes céramiques conductrices (MIEC) soumises à un gradient de pression partielle en oxygène, permettant de séparer les produits de la réaction. Cette méthode conduit à la production continue et simultanée de O2 et de H2/CO (ou NH3), de part et d’autre de la membrane. Des structures adaptées de membranes avec des propriétés thermomécaniques et chimiques stables sont nécessaires. Des formulations et empilements adéquats de matériaux MIEC doivent être développés afin d’augmenter les vitesses de diffusion de l’oxygène ionique et diminuer la température, ainsi que des méthodes robustes de mise en forme pour intégrer ces matériaux dans des réacteurs solaires. Le procédé intensifié intégrant un réacteur solaire membranaire pour la séparation in-situ des produits, permettra la production de vecteurs énergétiques (H2, NH3) et la valorisation du CO2 par voie solaire, sans recours à une source d’électricité ou de matières premières carbonées additionnelles. Les innovations et résultats attendus concernent : i) le design & la caractérisation de nouvelles architectures de membranes à réactivité et propriétés de transport adaptées, ii) le développement d’une méthode robuste et extrapolable pour l’élaboration & la mise en forme de membranes céramiques MIEC tubulaires par impression 3D, et iii) la démonstration et la détermination des performances du procédé membranaire sous flux solaire concentré pour la production de carburants renouvelables.
Concernant la méthodologie, le design de membranes MIEC avec des propriétés de transport d’oxygène optimisées sera réalisé par l’IEM à l’échelle laboratoire. De nouvelles architectures de membranes seront ainsi proposées et leur perméabilité comparée à celle de la cérine comme référence. Les membranes tubulaires seront conçues et élaborées par fabrication additive par Marion technologies. Elles seront ensuite testées sous haut flux solaire par PROMES dans un réacteur solaire. La durabilité des performances des membranes sera évaluée afin de démontrer la stabilité, fiabilité et robustesse à long-terme du procédé solaire. Par ailleurs, des simulations à l’échelle procédé seront réalisées pour estimer le potentiel de production de carburants à grande échelle.
Les retombées principales du projet concernent la démonstration d’une voie verte pour la production de carburants renouvelables, compatibles avec les infrastructures existantes et économiquement viables. Le projet démontrera à l’échelle laboratoire (TRL 4) un procédé membranaire combinant l’énergie solaire à concentration avec CO2 et H2O (+N2) comme seuls intrants, pour produire des carburants stratégiques. Les résultats pourront contribuer à l’accomplissement des émissions nettes zéro carbone et des objectifs de développement durables (en particulier ODDs 7, 12 & 13). Les 3 partenaires (coordinateur PROMES, IEM et Marion Technologies) rassemblent les compétences complémentaires requises dans les différents domaines scientifiques et techniques du projet.