Mise au point d'un catalyseur performant pour la chaîne de procédé Power-to-Methane et étude cinétique

Development of an efficient catalyst for the process chain Power-to-Methane and kinetic study

• Auteur / Autrice : Audrey Waldvogel
• Direction : Anne-Cécile Roger, Sébastien Thomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Catalyse hétérogène
• Date : Soutenance le 22/12/2017
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Diane Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Manuel Faria de Barros Henriques, Nicolas Bion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Précipitation (chimie)

Catalyse hétérogène

Méthane

Catalyseurs au nickel

Mots clés libres

Méthanation de CO et de CO2

Oxyde mixte CeO2-ZrO2-Pr6O11

Coprécipitation

Frittage

Poison alcalin

Dépôt de carbone

Étude cinétique

Heterogeneous catalysis

Methanation of CO and CO2

Nickel catalyst

ZrO2-Pr6O11 mixed oxide

Coprecipitation

Sintering

Alkaline poison

Carbon deposition

Kinetic study

Résumé

Le contexte environnemental (réchauffement climatique) et politique (augmentation du parc EnR) entraîne une mutation du paysage énergétique français. Le méthane de synthèse est présenté comme un vecteur énergétique permettant le stockage et le transport de l’électricité renouvelable en surproduction tout en recyclant le CO2 (Power-to-Methane). Un des objectifs de la thèse est de développer un catalyseur actif en co-méthanation d’un mélange post co-électrolyse H2/CO/CO2/H2O/CH4 (projet ANR CHOCHCO). Le catalyseur synthétisé est de type Ni/CZP. L’optimisation de la synthèse coprécipitation par l’utilisation combinée du sel précipitant (NH4)2CO3 et du tensioactif CTAB a mené à un catalyseur performant (absence de poison alcalin et augmentation de la surface spécifique) capable de produire du CH4 à basse température (250 °C) avec un rendement élevé. Le catalyseur a montré une résistance satisfaisante à la désactivation par dépôt de carbone et par frittage, indispensable pour le fonctionnement intermittent du procédé. Un modèle cinétique, de type Langmuir-Hinshelwood, a pour la première fois été développé sur un catalyseur de type Ni/CZP.

The environmental (global warming) and political (increase of the renewable electric farm) context leads to a mutation of the French energy landscape. Synthetic methane is presented as a energy carrier for storing and transporting renewable electricity in overproduction while recycling CO2, a process called Power-to-Methane. One of the objectives of the thesis is to develop an active catalyst for the co-methanation of a post-co-electrolysis mixture H2/CO/CO2/H2O/CH4 (CHOCHCO ANR project). A Ni/CZP type catalyst was synthesized in this purpose. The optimization of the coprecipitation synthesis by the combination of the precipitating salt (NH4)2CO3 and the surfactant CTAB has led to a high performance catalyst (absence of alkaline poison and increase of the specific surface area) able to produce CH4 at low temperature (250 °C) with a high yield. The catalyst showed a satisfactory resistance to carbon deposition and sintering deactivation, which is a key point for the intermittent operating conditions of the process. A kinetic model, of the Langmuir-Hinshelwood type, was developed for the first time on a Ni/CZP type catalyst.