Production d'hydrogène et de noirs de carbone par décomposition thermique de gaz naturel dans des réacteurs solaires

Overview & Synopsis

Ce travail de thèse propose une solution intéressante pour effectuer la transition vers une économie basée sur l’hydrogène via la dissociation solaire du gaz naturel. Dans le cadre du projet européen SOLHYCARB, ce procédé a été étudié extensivement. Au laboratoire CNRS PROMES, deux réacteurs solaires à chauffage indirect (20 et 50 kWth) ont été conçus, fabriqués et testés au foyer du grand four solaire de 1 MW. Ils sont constitués d’un récepteur en graphite qui approche le comportement du corps noir. La réaction est mise en oeuvre dans des sections tubulaires insérées dans l’absorbeur. Le réacteur solaire de 20 kW a essentiellement servi à l’étude de la réaction chimique et des performances en terme de conversion du méthane en fonction des conditions expérimentales (essentiellement la température et le temps de séjour). Une augmentation de température améliore la conversion du méthane tandis que l’augmentation du temps de séjour a un rôle important dans la dissociation de C2H2, le principal sous-produit. Le code cinétique Dsmoke a pu être validé pour la simulation de la réaction de craquage du méthane. Le réacteur solaire de 50 kW a été utilisé pour produire des quantités significatives de noirs de carbone afin d’analyser leurs propriétés et leur qualité pour des applications commerciales diverses. Le logiciel Fluent® a permis une optimisation énergétique du réacteur. Un procédé solaire industriel est étudié à l’échelle 10 MWth ; un plan de circulation des fluides est réalisé sur Prosim® et une analyse économique est menée. Le procédé solaire peut être compétitif avec les méthodes conventionnelles de production d’hydrogène : un coût de production de l’hydrogène de 1 $/kg (prix de référence pour le reformage) est atteint pour un prix de vente du noir de carbone de 1.05 $/kg (prix possible pour les noirs de carbone spéciaux).