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Les réactions catalytiques sont essentielles au secteur de l’énergie dans la mesure où elles sont systématiquement utilisées pour convertir des gaz naturels simples et la biomasse en carburants et produits chimiques à haute valeur énergétique. Un catalyseur solide est mis en contact avec des réactifs gazeux pour accélérer la formation des produits souhaités et améliorer considérablement le rendement.
Pendant des décennies, ces réactions se sont déroulées dans des réacteurs à lit fixe, remplis de granulés de catalyseur tassés dans un ordre aléatoire. Toutefois, cette conception «à lit tassé» limite le potentiel de réaction en raison de la lenteur du transfert de chaleur vers ou hors du réacteur.
«La gestion de la chaleur lors de la réaction est un aspect essentiel de ces procédés», explique Enrico Tronconi, professeur de génie chimique à l’université polytechnique de Milan. «Pour permettre la conception de nouvelles unités de traitement efficaces et compactes, urgemment nécessaires dans le cadre des scénarios d’énergie distribuée, de tels obstacles doivent être supprimés», ajoute-t-il.
Dans le cadre du projet INTENT, financé par l’UE, Enrico Tronconi a conçu un nouveau «réacteur structuré», capable d’intensifier le transfert de chaleur des processus catalytiques et donc de contribuer à rendre le secteur de l’énergie beaucoup plus durable.
«Nous avons montré, à la fois par l’expérience et par la modélisation mathématique, que si les éléments internes sont constitués d’un matériau hautement conducteur, disons de l’aluminium ou du cuivre, nous pouvons espérer un transfert de chaleur beaucoup plus efficace que dans les lits tassés», souligne Enrico Tronconi. «Par exemple, les “points chauds” ou les “points froids” indésirables dans le réacteur seront éliminés.»
Introduire de nouvelles structures internes
En remplaçant le tassage aléatoire des granulés de catalyseur par des catalyseurs structurés, comme les nids d’abeille ou les mousses à cellules ouvertes, le réacteur bénéficie d’un mécanisme de transfert thermique différent: la conduction thermique dans la matrice de la structure.
Ces «éléments internes», qui peuvent être des mousses à cellules ouvertes ou des structures imprimées en 3D, sont ensuite susceptibles d’être activés par voie catalytique en les recouvrant d’une couche de catalyseur actif, processus connu sous le nom de «wash coating». Ils peuvent également être emballés avec des particules de catalyseur d’une taille adaptée à la réaction souhaitée.
«Dans les deux cas, la structure cellulaire hautement conductrice assure un excellent transport de la chaleur et une distribution uniforme de la température dans le réacteur, éliminant ainsi le principal goulot d’étranglement du processus», note encore Enrico Tronconi.
Concevoir et tester des éléments internes pour les réacteurs conducteurs
L’équipe INTENT a étudié deux générations d’éléments internes pour les réacteurs conducteurs, s’intéressant d’abord aux matériaux cellulaires disponibles dans le commerce, puis à une nouvelle catégorie de conceptions techniques imprimées en 3D. Elle a ensuite analysé l’efficacité de ces structures en tant que supports de catalyseurs, à l’aide d’une méthodologie innovante qui combine des expériences et des modèles de calcul.
En parallèle, les chercheurs ont examiné, à l’échelle du laboratoire, l’application du nouveau concept de réacteur à deux processus clés: la synthèse de Fischer-Tropsch (FT), qui produit des carburants hydrocarbonés propres, et le reformage à la vapeur du méthane (MSR), méthode la plus couramment utilisée et la plus rentable pour produire de l’hydrogène.
Le plan initial d’INTENT prévoyait par ailleurs une étude des catalyseurs structurés appliqués au reformage solaire utilisant l’irradiation solaire pour fournir la chaleur nécessaire au MSR. Ces dernières années, un nouveau concept a vu le jour, s’appuyant sur l’énergie électrique provenant de sources renouvelables pour fournir cette chaleur. Au cours du projet l’équipe a donc réorienté ses activités sur l’étude approfondie de ce concept, et a conçu et construit deux nouvelles installations pour faire fonctionner le MSR électrique.
Contribuer à créer un avenir reposant sur des énergies propres
Grâce à des résultats prometteurs, les travaux d’INTENT sur l’électrification du processus MSR ont immédiatement attiré l’attention d’une grande entreprise italienne du secteur de l’énergie. L’équipe travaille désormais conjointement au développement d’une unité eMSR pour la production d’hydrogène à petite échelle et à faible émission de carbone.
INTENT a clairement démontré que l’utilisation d’éléments internes de réacteurs cellulaires thermiquement et électriquement conducteurs présente un grand potentiel pour l’intensification des processus catalytiques, souligne Enrico Tronconi.
«Compte tenu de l’accélération actuelle de la transition énergétique, la nécessité d’une telle intensification est encore bien plus grande aujourd’hui qu’au moment de la conception initiale du projet, il y a sept ans.»