Etude Théorique des Arcs Plasma Thermiques à Très Hautes Pressions dans la Perspective des Applications à la Pyrolyse des Hydrocarbures

Theoretical Study of Thermal Plasma Arcs at Very High Pressures in The Perspective of Hydrocarbon Pyrolysis Applications

• Auteur / Autrice : Jad Diab
• Direction : Laurent Fulcheri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 10/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Procédés, Énergies Renouvelables et Systèmes Énergétiques. Sophia-Antipolis
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Cressault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Fulcheri, Marie-Pierre Planche, Juan Pablo Trelles, Dunpin Hong, Vandad-Julien Rohani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Planche, Juan Pablo Trelles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermique

Carbone -- Isotopes

Méthane

Économies d'énergie

Pyrolyse

Mots clés libres

Arc thermique haute pression

Pyrolyse du méthane

Analyse de cycle de vie

Magnétohydrodynamique

Methane pyrolysis

High pressure thermal arc

Life cycle assessment

Magnetohydrodynamic

Résumé

En utilisant de l’électricité bas-carbone, la technologie plasma offre une solution durable aux défis énergétiques et environnementaux, en fournissant une source d’énergie à haute température, contrôlable et sans émissions directes de CO2. Cette thèse se concentre sur les arcs plasma thermiques pour la pyrolyse des hydrocarbures, co-produisant de l’hydrogène et du carbone noir, tout en étudiant l’impact de la pression sur les caractéristiques des arcs. D'une part, une analyse du cycle de vie a été réalisée, montrant une intensité carbone jusqu’à dix fois inférieure à celle de l’hydrogène gris et comparable à celle de l’électrolyse, mais avec une consommation d’énergie nettement inférieure. D'autre part, les recherches se concentrent sur les arcs en conditions de haute pression, mettant en évidence leurs effets : augmentation de la tension, réduction de la vitesse des jets, domination accrue du transfert radiatif et érosion accrue des électrodes. Des modèles analytiques et numériques, tels qu’un modèle d’arc canal et un modèle MHD, ont validé ces observations. Un banc plasma haute pression a également été conçu pour de futures expériences, démontrant le potentiel et les défis des systèmes plasma haute pression dans la décarbonation industrielle.

Using low-carbon electricity, plasma technology offers a sustainable solution for energy and environmental challenges by providing a controllable, high-temperature energy source with no direct CO2 emissions. This thesis focuses on thermal arcs for hydrocarbon pyrolysis, co-producing hydrogen and carbon-black, with a focus on the impact of pressure on arc characteristics. On one hand, a life cycle assessment is conducted, showing carbon intensity up to ten times lower than gray hydrogen and comparable to electrolysis, but with significantly lower energy consumption. On the other hand, the research focuses on high-pressure arcs, highlighting their effects: increased voltage, reduced jet velocity, enhanced radiation dominance, and higher electrode erosion. Analytical and numerical models, such a Channel Arc Model and an MHD model, validated these findings, and a high-pressure plasma bench was designed for future experiments, showcasing the potential and challenges of high-pressure plasma systems in industrial decarbonization.