Compréhension et optimisation de l’électrolyse du CO2 à haute température en CO dans les carbonates – MCEC

Il est essentiel à l’échelle mondiale de réduire l'empreinte carbone due au réchauffement climatique. Parallèlement à l’utilisation des énergies renouvelables réduisant les émissions de CO2, la séquestration et réutilisation de ce gaz constituent un important défi et représenterait un nouveau paradigme énergétique. De plus, la valorisation du CO2 est susceptible de ralentir la dépendance aux énergies fossiles. Différentes voies peuvent être considérés, mais ce projet est centré sur l'électrolyse en tant que technique propre et efficace de transformation du CO2 en milieu carbonates fondus, dans lesquels cette molécule est fortement soluble. Il faut également souligner que les carbonates fondus sont les électrolytes utilisés dans les piles à combustible à carbonates fondus (MCFCs), technologie mûre proche de la commercialisation. Le projet ANR MCEC (Compréhension et optimisation de l’électrolyse du CO2 à haute température dans les carbonates) est parfaitement adapté au défi « Énergie propre, sûre et efficace ». La cible est d'optimiser l'électrolyse à haute température de CO2 (550 à 800°C) en combustible à haute valeur ajoutée dans les carbonates fondus, suivant une méthodologie prédictive/expérimentale rigoureuse dans des conditions réalistes et des tests en petites cellules d'électrolyse faciles à transposer, par la suite, à l’échelle pré-pilote. Cette thématique sur un sujet brûlant, qui commence à susciter un grand intérêt dans plusieurs pays ainsi que des programmes de recherche ambitieux (principalement en Chine, au Japon, aux États-Unis,…), constitue une approche innovante et intégrée, unique en son genre, de la valorisation de CO2, combinant l’utilisation de la spectroscopie RMN, la physico-chimie des milieux électrolytiques et de l’électrochimie à haute température, à la modélisation numérique (Premier-principes de dynamique moléculaire, FPMD, et simulations de Monte Carlo, FPMC) afin de caractériser les carbonates alcalins fondus, la solvatation et solubilité du CO2 ainsi que les paramètres décrivant la réduction électrochimique. En particulier, la RMN permettra d’estimer la concentration relative des complexes formés dans le milieu entre le dioxyde de carbone et les ions carbonates et les coefficients d’auto-diffusion. Des mesures de conductivité électrique et de solubilité dans les milieux carbonates fondus seront effectuées en utilisant des approches in situ originales. La simulation et les essais expérimentaux seront orientés sur la spéciation à travers la description d'espèces anioniques en fonction de la solubilité de CO2. Ces données conduiront à élucider le mécanisme complexe d'électroréduction et de sélectionner les conditions physico-chimiques optimales pour l’électrolyse (pression, la température, pression partielle de CO2, nature et composition de l'électrolyte à carbonates fondus). Toutes ces données permettront de rationaliser et d’optimiser notre cible principale, le procédé d'électrolyse de CO2 (incluant la co-électrolyse de l'eau), des aspects mécanistiques aux performances. Cette proposition sera enrichie par une analyse globale de l'application, simulant le « Balance of Plant », la viabilité économique et la comparaison à d'autres technologies concurrentielles.
Le défi croissant de la valorisation de CO2 dans les carbonates fondus exige l’établissement d’un programme bien renseigné et multidisciplinaire embrassant un large éventail d'expertises. Focalisé précisément sur cette voie, MCEC est un projet de collaboration rassemblant cinq groupes de recherche reconnus internationalement pour leur niveau de compétence en chimie des sels fondus, modélisation, électrochimie, techniques spectroscopiques et science des procédés industriels allant jusqu’à la viabilité économique. De plus, ce projet est en phase avec un programme Équipex PLANEX (PLAnète EXpérimentale : Analyses in-situ en conditions extrêmes - ANR-11-EQPX-0036), auquel participent 3 des 5 partenaires (IRCP, CEMHTI et ISTO).