Projet ANR | Programme SEED 2013 | Projet CHOCHCO

CHAINE OPTIMISÉE FLEXIBLE DE CO ÉLECTROLYSE DE CO2, D’EAU ET D'HYDROGÉNATION DE CO
EN MÉTHANE DE SYNTHÈSE

Power to Gas

Le système énergétique européen connaît aujourd’hui une profonde mutation, avec notamment l’incorporation croissante d’énergies renouvelables (ENR) intermittentes. Malgré les bénéfices de ces ENR, elles peuvent fragiliser l’équilibre des réseaux électriques et menacer la sécurité d’approvisionnement. C’est pourquoi il est nécessaire de repenser le système énergétique, et d’y intégrer des solutions de stockage de l’énergie pour valoriser au mieux les productions d’énergies renouvelables tout en assurant la sécurité d’approvisionnement électrique. Le Power-to-Gas, et plus particulièrement le Power-to-SNG (Synthetic Natural Gas), est une solution prometteuse pour stocker l’énergie électrique sous forme de méthane de synthèse. En outre, le Power-to-Gas permet la valorisation du CO2 et au travers d’une économie circulaire CO2. Ainsi, l’électricité excédentaire et le CO2 sont convertis en un gaz qui peut être stocké et transporté dans les infrastructures gazières existantes, puis valorisé sur les lieux de consommation.

Synergie entre co-électrolyse et méthanation

Le projet CHOCHCO (CHaîne Optimisée flexible de Co-électrolyse de CO2 et d’eau et d’Hydrogénation de CO en méthane de synthèse) s’inscrit dans une dynamique de développement d’une solution innovante et flexible de procédé Power-to-Gas qui vise à valoriser les surproductions temporelles d’électricité renouvelable ainsi que des émissions de CO2 en un vecteur énergétique d’intérêt : le méthane de synthèse.
Le projet CHOCHCO se propose :

  • d’optimiser l’ensemble de la chaîne de production de méthane de synthèse d’un point de vue technique et économique, en travaillant notamment sur les conditions de pression et de température des gaz en entrée de chaque bloc (co-électrolyseur, réacteur de méthanation, mise aux spécifications du réseau de gaz naturel) ;
  • de développer une solution flexible capable de s’adapter rapidement aux variations temporelles d’électricité à stocker avec un minimum de pertes de rendement et de surcoûts induits ;
  • de développer une solution qui réponde à une large gamme de besoins en puissance installée, via une structuration des unités (co-électrolyseur et réacteur de méthanation) en empilement de modules élémentaires répétitifs.

A l’issue du projet, le coût du kWhe stocké et le coût du kWhPCS de méthane produit seront donnés pour ce système optimal, flexible et adaptable.

Schéma synergie En savoir plus

Co-électrolyse

Une technologie pour la production efficiente de syngas

Il est possible de co-électrolyser simultanément H2O et CO2 pour former en une seule étape du gaz de synthèse (ou syngas), principalement constitué de H2 et CO, utilisé pour la synthèse de nombreux carburants tels que méthane, méthanol, acide formique, diméthyl-éther (DME)… Afin d’évaluer les performances d’un co-électrolyseur, et afin de déterminer les points de fonctionnement les plus pertinents des futurs systèmes de co-électrolyse couplés à un réacteur de méthanation, un modèle a été développé au laboratoire. Les réactions d’électrolyse du CO2 et de gaz à l’eau (Water Gas Shift - WGS) ont été intégrées dans un modèle préexistant, prenant en compte le transfert de masse, le transfert de charge, l’activation, la conversion, la pression etc… La part de la réaction de gaz à l’eau inverse (R-WGS) ainsi que le rapport H2/CO peuvent ainsi être déterminés en fonction de la polarisation et/ou de la production totale de CO. Ce modèle, validé expérimentalement, permet d’établir les cartographies de fonctionnement du co-électrolyseur.

Méthanation CO & CO2

Une technologie de réacteur innovante

Le projet CHOCHCO travaille sur un réacteur de méthanation innovant, en rupture avec les technologies existantes. Ce réacteur échangeur modulaire innovant à catalyseur déposé sur des mousses métalliques présentera de nombreux atouts :

  • Une bonne performance dans le temps, grâce à la fourniture d’un catalyseur innovant présentant une bonne activité (et ce en dépit de la basse température retenue pour cette brique), et grâce à la réalisation de couches catalytiques à haute efficacité résistantes (physiquement et chimiquement) dans le temps;
  • Un contrôle isotherme de la réaction, ce qui limitera le vieillissement et optimisera la conversion de CO et CO2;
  • Une bonne valorisation de la chaleur de la méthanation pour une intégration dans le procédé (vaporisation de l’eau dans la brique de co-électrolyse), ce qui contribue in fine à l’optimisation énergétique de la chaîne;
  • Une grande modularité, ce qui lui permettra de s’adapter aux variations de charge temporelles (liées aux variations temporelles d’électricité à stocker).

Un catalyseur innovant pour la méthanation de CO et CO2

Le projet CHOCHCO travaille à la mise au point et au développement d’un catalyseur de méthanation innovant, adapté à la chaîne de procédés retenue. Ce matériau doit:

  • être capable de produire du CH4 à basse température (250-300°C), favorisant une intégration des flux de chaleur;
  • être résistant à la cokéfaction et à la désactivation;
  • permettre son dépôt sur les parois d’un réacteur-échangeur de méthanation.

Ce développement comprend une phase d’évaluation des performances catalytiques, afin de définir une formulation optimale, ainsi que des travaux sur la mise en œuvre de celle-ci. Cette seconde phase a pour but de conduire à la réalisation de couches catalytiques à hautes efficacités, favorisant la récupération de chaleur et présentant une forte résistance chimique et physique. Enfin, la préparation et l’enduction du catalyseur sur des prototypes de modules élémentaires de réacteur de méthanation seront réalisés.

PROGRAMME DE TRAVAIL

Durée du projet 42 mois | Février 2014 - Juillet 2017

WP #1

SPECIFICATIONS GENERALES DU PROCEDE

Etablir un cahier des charges fonctionnel pour la chaîne procédé CHOCHCO, qui permet de définir les hypothèses qui seront prises en compte dans le projet, concernant les paramètres de fonctionnement pour :

      la conception et l'opération des équipements testés expérimentalement (WP3 et WP4)
      l'optimisation et l'évalutation technico-économique et environnementale du procédé CHOCHCO (WP2)

ENGIE - CEA ICPEES

En savoir plus

WP #3

CARACTERISATION DE LA REPONSE D'UNE CELLULE DE CO-ELECTROLYSE AVEC LA PRESSION, LA COMPOSITION D'ENTREE ET LE TEMPS

Caractériser la réponse de production au potentiel thermoneutre d’une cellule de co-électrolyse en fonction de la pression (limitée à moins de 30 bar) et de la composition d’entrée et sa dégradation dans le temps pour ces conditions. Ces données seront utilisées pour l’évaluation économique du procédé.

ENGIE - CEA

En savoir plus

WP #2

OPTIMISATION ET ANALYSE DES BLOCS DE CO-ELECTROLYSE ET DE METHANATION ET DE LA CHAINE INTEGREE

Concevoir une chaîne de procédé optimisée et flexible, capable de produire du substitut de gaz naturel commercialisable. La conception finale de cette chaîne reposera sur l'analyse d'une ou plusieurs alternatives d'intégration procédé, suggérées à partir des hypothèses et des cas d'étude définis dans le WP1.
Ce travail s'appuie sur l'étude préalable et approfondie des performances des modules séparés de co-électrolyse et méthanation, pour différentes conditions et en particulier pour des charges de puissance électrique à convertir variables

ENGIE - CEA

En savoir plus

WP #4

DEFINITION ET EXPERIMENTATION D'UN REACTEUR CATALYTIQUE DE METHANATION INNOVANT

Définir, réaliser et tester un module élémentaire répétitif de réacteur échangeur de méthanation à température interne maitrisée et contrôlée le long du chemin réactif offrant un fort taux de conversion à basse pression. Ce travail se déroulera en deux parties parallèles, chacune constituée de deux étapes :

  • la définition d’un catalyseur de référence puis d’un catalyseur innovant 
  • la réalisation et l’étude de deux modules de méthanation : de référence et innovant

ENERCAT – ENGIE CEA ICPEES

En savoir plus

Partenaires

Avec le soutien de

contact

sandra.capela@engie.com