Développement, modélisation et optimisation d'un procédé éco-efficient de production d'hydrogène à partir de syngaz bio-sourcé, par absorption gaz-liquide du CO2 intensifiée par contacteur membranaire

par Sayali ramdas Chavan

Projet de thèse en Génie des procédés

Sous la direction de Irina Ioannou.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-12-2018 .


  • Résumé

    La thèse fait partie du projet "Vitrhydrogène" qui vise à concevoir et développer une unité de production d'hydrogène par thermolyse et gazéification de biomasse solide renouvelable. Ce projet, qui présente de grands défis techniques, économiques et environnementaux, s'articule autour d'un partenariat complémentaire entre la PME Haffner Energy, spécialisée dans le secteur de la production d'énergie, la société d'économie mixte Vitry Energy, la communauté de Vitry-le-François et le Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux de CentraleSupélec. La purification du syngaz produit par thermolyse/gazéification de la biomasse, à des coûts compétitifs (CAPEX et OPEX), est un défi majeur. En effet, les spécifications de l'hydrogène pour les piles à combustible (ISO 14687-2) exigent des niveaux de pureté supérieurs à 99,97% et des seuils inférieurs à ppm ou ppb pour certaines impuretés (H2O, CO2, CO, H2S ...). De plus, les solutions doivent être adaptées aux petites unités de production d'H2 (<30 kg/h) et atteindre un coût de purification global inférieur à 1 €/kg. Après le traitement par «Water Gas Shift» couramment utilisé pour enrichir le syngaz en hydrogène, le CO2 est le principal sous-produit à éliminer (environ 35%). Ce travail vise à développer un procédé compact et sobre basé sur l'absorption sélective du CO2 dans des solutions aqueuses, intensifié avec des contacteurs à membrane à fibres creuses. En effet, ils offrent une conception plus compacte et modulaire que les colonnes classiques à garnissage. De plus, la séparation des phases liquide et gazeuse augmente la flexibilité opérationnelle et le rendement énergétique. Au cours des trois dernières années, le procédé a été étudié et développé pour l'épuration du biogaz lors de la thèse de V. Fougerit. L'utilisation d'une solution salée combinée à une configuration à 3 contacteurs a récemment été brevetée. La purification du syngas est beaucoup plus difficile en raison de la haute pureté à atteindre pour les piles à combustible. Afin d'éliminer la quasi-totalité du CO2, sans trop augmenter la surface de membrane ou la consommation énergétique, on doit mieux comprendre les mécanismes de transfert de gaz. De plus, la configuration de la phase liquide et des contacteurs à membrane doit être modifiée. En particulier, les performances avec des solutions tamponnées ou basiques seront étudiées. Par ailleurs, une méthode de régénération plus efficace doit être développée. En outre, ce travail vise à améliorer le modèle prédictif original développé pour l'aide au dimensionnement.

  • Titre traduit

    Development, modeling and optimization of CO2 gas-liquid absorption, intensified with hollow fiber membrane contactors, as an eco-efficient technique for purification of biosourced hydrogen


  • Résumé

    The PhD is a part of “VitrHydrogène” project which aims at designing and developing an hydrogen production unit by thermolysis and gasification of solid renewable biomass. This project, with strong technical, economic and environmental challenges, was built around a complementary partnership between the SME Haffner Energy, specialized in the energy production sector, the mixed economy company Vitry Energy, the community of Vitry-le-François and the laboratory of chemical engineering and materials of CentraleSupélec. The purification of syngas produced by thermolysis/gasification of biomass, at cost-competitive CAPEX and OPEX, is a key challenge. Indeed, the specifications for hydrogen use in PEM fuel cell (ISO 14687-2) require purity level above 99.97% and thresholds below ppm or ppb for some impurities (H2O, CO2, CO, H2S ...). Moreover, solutions must be adapted for small H2 production units (< 30 kg/h) and reach a global purification cost below 1 €/kg. After the “Water Gas Shift" Treatment commonly used to enrich the syngas with Hydrogen, CO2 is the major by-product that must be removed (about 35%). This work aims at developing a compact and sober process based on selective CO2 absorption into aqueous solutions, intensified with hollow fiber membrane contactors. Indeed, they offer more compact and modular design than conventional packed columns. In addition, the separation of liquid and gas phase increases operational flexibility and energy yield. The last 3 years, the process was studied and developed for biogas upgrading during the PhD of V. Fougerit. The use of salty solution combined with 3-contactors configuration was recently patented. Syngas upgrading is much harder to achieve hydrogen quality requirements for fuel cell applications. To decrease drastically syngas CO2 content, without increasing too much membrane surface or energy consumption required, gas transfer mechanisms must be better known. Moreover, the liquid phase and the membrane contactors configuration should be modified. Particularly, performances with buffered or basic solutions will be studied. Meanwhile, a cost-effective regeneration method must be developed. Besides, this work aims at improving the original predictive model which was developed for process upscaling purposes.