NOUVEAU REACTEUR PLASMA MICRO-STRUCTURE POUR LA PRODUCTION D'HYDROGENE BAS CARBONNE A PARTIR DE METHANE ET D'AMMONIAQUE

NOVEL MICROSTRUCTURED PLASMA REACTOR FOR LOW CARBON HYDROGEN PRODUCTION FROM METHANE AND AMMONIA

• Auteur / Autrice : Maxime Jacquart
• Direction : Elena Galvez parruca, Paul-Quentin Elias
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogene

Plasma

Genie chimique

Energie renouvelable

Methane

Ammoniaque

Hydrogen

Plasma

Chemical engineering

Renewable energy

Methane

Ammonia

Résumé

Le changement climatique appelle des objectifs ambitieux en termes d'émissions de carbone pour l'industrie du transport aérien. L'utilisation de l'hydrogène (H2) comme carburant est l'une des différentes solutions envisagées, dont l'un des éléments clés est la capacité à produire de l'hydrogène bas carbone. A cet effet, l'électrolyse est une technologie éprouvée, mais d'autres pistes sont également explorés. En particulier, la génération d'hydrogène à partir d'ammoniac (NH3) ou de méthane (CH4) est intéressante car le stockage et le transport est moins complexe que celui requis pour H2, l'énergie de décomposition est inférieure à celle de l'eau, ce qui diminue la consommation d'énergie. Pour que ces solutions soient compétitives, l'efficacité du processus est primordiale. Une façon d'optimiser le processus consiste à utiliser des réacteurs à base de plasma. En effet, l'intensification des procédés par plasma est un sujet qui a reçu une attention considérable ces dernières années, par exemple pour la valorisation du CO2. Les réacteurs à base de plasma pourraient s'avérer très utiles en tant que générateurs d'hydrogène sur site compacts et efficaces. Dans ce cadre, l'ONERA et l'Institut Jean Le Rond d'Alembert ont a récemment développé une nouvelle conception de réacteur à plasma microstructuré qui montrent des résultats prometteurs pour l'intensification des procédés. L'objectif principal de ce projet doctoral est d'évaluer et d'optimiser l'efficacité de ce réacteur pour les réactions de décomposition du méthane et de l'ammoniac pour produire des hydrogène. Pour cela, il est nécessaire de trouver les paramètres de conduite affectant la génération de plasma dans le réacteur, puis de comprendre la cinétique de réaction avec le plasma. La question centrale à laquelle cette recherche veut répondre est « Quelle est l'efficacité du réacteur plasma micro-structuré pour produire de l'hydrogène bas carbone ? '' et en corollaire, « quel est son potentiel pour favoriser l'utilisation de l'hydrogène bas carbone ? ». Le projet traitera à la fois de la décomposition du méthane et de l'ammoniac. Une première partie du projet portera sur une caractérisation détaillée du plasma, à l'aide de diagnostics électriques et optiques, sur un prototype existant. En particulier, le comportement du plasma en fonction des paramètres de conception du réacteur (taille et disposition des microcanaux, matériau, pression) sera étudié. La seconde partie concernera la test du système plasma sous atmosphères réactives, visant à rechercher les paramètres plasma optimaux pour atteindre le meilleur rendement dans la décomposition du méthane et de l'ammoniac. À cette fin, un réacteur optimisé sera conçu, en s'appuyant sur les résultats de la première étude. Les procédés de conversion par plasma seront étudiés dans une plateforme expérimentale dédiée. Les produits seront analysés par chromatographie en phase gazeuse et d'autres techniques de caractérisation.

Climate change calls for ambitious goals in terms of carbon emission for the air transportation industry. Using hydrogen (H2) as a fuel is one of the different solutions considered, where one key elementis the ability to produce low-carbon hydrogen. For this purpose, electrolysis is a proven technology, but other routes are also explored. In particular, the generation of hydrogen from ammonia (NH3) or methane (CH4)are interesting because the feedstock storage and transportation is less complex than the one required for H2, the decomposition energy is lesser than water decomposition, thereby decreasing the energy consumption. For those solutions to be competitive, the process efficiency is paramount. One way to optimize the process is to use plasma-based reactors. Indeed, plasma-based process intensification is a topic which has received a considerable attention in the recent years, for example for the valorization of CO2. Plasma-based reactors could prove very useful as compact & efficient on-site hydrogen generators. In this context, ONERA and Institut Jean Le Rond d'Alembert have recently developed a new design of micro-structured plasma reactor which show promising results for process intensification. The main goal of this doctoral project is assess and optimize the efficiency this reactor for the methane and ammonia decomposition reactions to produce low-carbon hydrogen. For this purpose, it is necessary to find the driving parameters affecting the plasma generation in the reactor and then to understand the reaction kinetic with the plasma. The central question this research seeks to address is « How efficient is the micro-structured plasma reactor to produce low carbon hydrogen ? » and as a corollary, « what is its potential to further the use of low-carbon hydrogen ? ». The project will address both methane and ammonia decomposition. A first part of the project will focus on a detailed characterization of the plasma, using electrical and optical diagnostics, on an existing prototype. In particular, the behavior of the plasma depending on the reactor design parameters (microchannel size and arrangement, material, pressure) will be investigated. The second part will involve the testing of the plasma system under reactive atmospheres, aiming to seek to find the optimal plasma parameters to achieve the best efficiency in the decomposition of methane and ammonia. For this purpose, and optimized reactor will be designed, building on the findings of the first study. The plasma-based conversion processes will be investigated in a dedicated experimental platform. The products will be analyzed using gas chromatography and other characterization techniques.