Solar fuels production by CO2 and H2O splitting via thermochemical processes

par Anita Haeussler

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur. Chimie

Sous la direction de Stéphane Abanades et de Anne Julbe.

Soutenue le 05-03-2021

à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement , en partenariat avec Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) (laboratoire) .

Le président du jury était David Farrusseng.

Le jury était composé de David Farrusseng, Pierre-Marie Geffroy, François Valdivieso, André Ayral, Fernando Costa Oliveira.

Les rapporteurs étaient Pierre-Marie Geffroy, François Valdivieso.

  • Titre traduit

    Production de combustibles solaires par dissociation de CO2 et H2O via des cycles thermochimiques


  • Résumé

    Cette étude se focalise sur le développement de procédés de dissociation de H2O et CO2 par voie thermochimique utilisant des oxides métalliques non-stœchiométriques et l’énergie solaire concentrée pour la production de carburants solaires. Les procédés redox se décomposent en deux réactions distinctes : tout d’abord, une réduction thermique à haute température de l’oxyde métallique avec la création de lacunes en oxygène dans la structure cristallographique, entrainant une production d’oxygène ; puis, une réoxydation de l’oxyde métallique par H2O et/ou CO2, conduisant à la production de H2 et/ou CO. La cérine et les pérovskites ont été étudiées comme matériaux réactifs pour les cycles thermochimiques. Pour augmenter l’efficacité des cycles thermochimiques, différents paramètres ont été étudiés, comme la composition chimique et la morphologie de l’oxyde réactif, les conditions opératoires, ainsi que la configuration du réacteur solaire. Dans un premier temps, les activités redox, la cinétique et la thermodynamique de différentes pérovskites ont été étudiées expérimentalement pour les cycles redox. Par la suite, les performances thermochimiques de différents matériaux réactifs sous forme de structures poreuses ou de particules ont été étudiées dans des réacteurs solaires (configuration monolithique ou lit fixe) permettant de réaliser des cycles thermochimiques en deux étapes. Une étude paramétrique détaillée a été effectuée pour déterminer les taux et vitesses de production. La vitesse de production de CO la plus élevée (9.9 mL/min/g) a été obtenue avec des mousses réticulées en cérine. Enfin, un réacteur solaire membranaire a été développé pour produire en isotherme et en continu du CO (ou H2) par dissociation de CO2 (ou H2O) avec une membrane réactive et perméable à l’oxygène. La vitesse de production la plus élevée atteint 0.133 µmol/cm2/s à 1550 °C en utilisant une membrane en cérine avec un revêtement en pérovskite.


  • Résumé

    This study is focused on the development of thermochemical H2O and CO2 splitting processes using non-stoichiometric metal oxides and concentrated solar energy to produce solar fuels. The redox process is composed of two distinct reactions: first, a thermal reduction at high temperature of the metal oxide with creation of oxygen vacancies in the crystallographic structure, resulting in released oxygen; second, the re-oxidation of the metal oxide by H2O and/or CO2, leading to H2 and/or CO production. Ceria and perovskite materials have been investigated as reactive oxides for thermochemical cycles. To increase the thermochemical process efficiency, different aspects were investigated, such as chemical composition and morphology of the metal oxide, operating parameters, and solar reactor configuration. The redox activities, kinetics and thermodynamics of different perovskite materials were first experimentally investigated for two-step thermochemical cycles. Then, the thermochemical performances of various reactive materials shaped as porous structures or particulate media were investigated in solar reactors (monolithic or packed-bed configurations) able to perform two-step thermochemical cycles. A detailed parametric study was performed to determine fuel production rates and yields. The highest CO production rate (9.9 mL/min/g) was achieved with ceria reticulated foams. Finally, a solar membrane reactor was developed for isothermal and continuous production of CO (or H2) by CO2 (or H2O) splitting with a reactive and oxygen-permeable membrane. The highest CO production rate reached 0.133 µmol/cm2/s at 1550 °C using a perovskite-coated ceria membrane.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-12-2022

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