23.09.2022 - Universität Ulm

L'ammoniac comme véhicule à hydrogène : Nouvelle technologie de réacteur intégré pour la transition énergétique

Processus perturbateur à fort potentiel d'économies

L'ammoniac issu de l'hydrogène vert est un vecteur énergétique à fort potentiel économique qui peut être utilisé comme matière première chimique, comme carburant marin ou pour la production d'énergie stationnaire. À l'avenir, il sera importé à grande échelle de régions disposant de ressources solaires et éoliennes importantes. Dans le cadre du projet PICASO (Process Intensification & Advanced Catalysis for Ammonia Sustainable Optimized process), l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE, l'Université d'Ulm et l'Institut de recherche sur les énergies renouvelables de Fukushima (FREA-AIST) travaillent sur un nouveau procédé de conversion de l'énergie en ammoniac (PtA) pour la synthèse durable de l'ammoniac. Ce procédé pourrait réduire les émissions deCO2 de 95 % par rapport au procédé classique. Le projet, financé par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche, a débuté le 1er août.

L'ammoniac, en tant que véhicule à hydrogène, peut apporter une contribution importante à la transition énergétique : "L'ammoniac peut également être produit à partir d'hydrogène vert et d'azote dans des régions ensoleillées et venteuses mais éloignées - par exemple dans le désert d'Afrique du Nord. Le vecteur énergétique est liquéfié pour être transporté en Europe, généralement par bateau. À cette fin, nous développons une technologie de réacteur intégrée avec des stratégies d'exploitation dynamiques, qui permet de fonctionner avec des sources d'énergie renouvelables fluctuantes", explique le professeur Christopher Hebling, directeur de la division Technologies de l'hydrogène au Fraunhofer ISE.

Contrairement au procédé Haber-Bosch classique, le procédé PtA permet d'utiliser des catalyseurs de synthèse plus actifs grâce à la grande pureté de l'hydrogène "vert" issu de l'électrolyse. Ces derniers peuvent fonctionner à des températures plus basses, ce qui augmente le rendement en ammoniac thermodynamiquement possible et permet ainsi de fonctionner à des pressions plus basses et sans recyclage des réactifs non consommés. Dans le cadre du projet, le partenaire japonais FREA-AIST a mis au point un nouveau catalyseur au ruthénium qui permet la synthèse dans des conditions beaucoup plus douces, avec des températures inférieures à 400 °C et des pressions inférieures à 80 bars. Ce catalyseur peut déjà être produit à l'échelle semi-industrielle (TRL > 7). Afin d'augmenter encore le rendement, Fraunhofer ISE et l'université d'Ulm étudient la séparation intégrée de l'ammoniac : La réaction et la séparation de l'ammoniac ont lieu in-situ dans un réacteur intégré. La réaction et la séparation de l'ammoniac ont lieu in situ dans un réacteur intégré. De cette façon, la pression de fonctionnement peut être minimisée et la recirculation du gaz d'alimentation n'ayant pas réagi peut être évitée. "Étant donné que les compresseurs et les échangeurs de chaleur sont les principaux facteurs de coût dans la synthèse conventionnelle de l'ammoniac, représentant 90 % des coûts d'investissement, ces améliorations offrent un énorme potentiel pour la viabilité économique des installations de production d'ammoniac flexibles qui peuvent également être utilisées dans des régions éloignées", explique le Dr. Ouda Salem, chef de groupe Power to Liquids au Fraunhofer ISE. Cela signifie qu'une infrastructure complexe n'est plus nécessaire et que la production d'ammoniac peut être réalisée à une échelle beaucoup plus petite. Cela offre la possibilité d'adapter le nouveau procédé PtA à l'utilisation de sources d'énergie renouvelables, même dans les régions éloignées. Le professeur Robert Güttel, directeur de l'Institut de génie chimique de l'université d'Ulm, ajoute : " Nous pouvons également faire un bien meilleur usage de l'hydrogène et de l'azote si aucun recyclage n'est nécessaire, de sorte que nous pouvons augmenter considérablement l'efficacité matérielle et énergétique de l'ensemble du processus PtA. "

Dans le cadre du projet, le transfert du nouveau concept PtA du laboratoire à l'échelle de l'usine pilote doit déjà être réalisé. Alors que l'Université d'Ulm se concentre sur l'échelle du laboratoire, des études expérimentales approfondies sont menées dans l'usine pilote du Fraunhofer ISE. Robert Güttel : "Les résultats expérimentaux à ces deux échelles sont liés par une modélisation et une simulation mathématiques détaillées. De cette façon, nous pouvons même déjà faire des prédictions fiables pour l'échelle pilote et accélérer la mise en œuvre du concept de réacteur intégré. ". En plus de la démonstration technique, les partenaires veulent également prouver que le nouveau procédé PtA flexible est économiquement compétitif par rapport au procédé conventionnel.

Un procédé disruptif à fort potentiel d'économies

"En cas de succès, l'approche PICASO sera une technologie disruptive qui remplacera un procédé fossile conventionnel, réduisant les émissions deCO2 jusqu'à 95 %", a déclaré Ouda Salem. Une analyse de simulation du procédé PICASO a également montré une économie d'énergie potentielle de 50 % par rapport au procédé Haber-Bosch conventionnel. L'objectif spécifique d'un projet de suivi est de porter le réacteur intégré au niveau de la démonstration et de le tester dans une usine pilote sur le site du partenaire associé FREA-AIST à Fukushima. En outre, les chercheurs développent des études dynamiques spécifiques et des stratégies d'exploitation pour identifier les exigences d'interface entre les électrolyseurs et l'usine de synthèse. L'achèvement réussi de ces phases du projet fournira les données d'ingénierie de base pour une usine de référence industrielle. Les partenaires de PICASO accompagneront ces phases de services de R&D et de leurs propres brevets sur le développement de catalyseurs et de réacteurs, afin d'octroyer une licence pour la technologie complète aux industries chimiques et de transformation.

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