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1 Objet : Requête de notification auprès du CST-DCRD Sonatrach A l’issue de la

1 Objet : Requête de notification auprès du CST-DCRD Sonatrach A l’issue de la rencontre ayant eu lieu entre les représentants de la Direction Centrale de la Recherche et Développement à Sonatrach, les porteurs de projets parrainés par Sonatrach, et les chercheurs du CRE, le 22/05/2023 au niveau du siège du CRE, il a été convenu d’intégrer le CRE au projet intitulé « Valorisation du CO2 par hydrogénation en utilisant l’hydrogène renouvelable ». L’apport du CRE portera sur la conception et réalisation d’un électrolyseur local dans le cadre du projet intitulé « Développement d’un électro-catalyseur solaire de production in situ d’hydrogène vert pour l’hydrogénation du CO2 dans une perspective de valorisation des rejets en hydrocarbures », porté par Dr. Kaouther KERBOUA, Chercheuse associée CRE. Nous exposons dans la présente requête de notification la méthodologie de conception et réalisation envisagée, les tâches ç accomplir par le CRE ainsi que le Gant Chart relatif au projet. 1 Contexte du projet Le changement climatique et la pollution atmosphérique en Algérie sont principalement dus à la combustion de ressources fossiles, produisant près de 3.6 tonne de CO2 équivalent par habitant par an. Le secteur des hydrocarbures contribue majoritairement aux émissions de CO2 à travers les activité d’extraction et de transformation. Sonatrach a adhéré à une démarche de réduction des émissions de carbone, à travers sa politique HSE et la mise en place de coopérations et accords internationaux. Dans ce contexte, le CO2 émis lors des activités pétrolières (torchage, pétrochimie…) pourrait devenir une ressource énergétique au lieu d’être un rejet, en l’exploitant dans un procédé d’hydrogénation donnant lieu à des hydrocarbures. Cependant, l’hydrogène constitue le réactif clé du procédé, et ce réactif n’est pas naturellement disponible mais synthétisable principalement par craquage des produits fossiles. Afin de rompre cette dépendance aux énergies fossiles qui va à l’encontre de la logique de la valorisation du CO2, la voie électrolytique reposant sur la ressource électrique non conventionnelle est envisageable. Le présent projet a pour objectif de développer un procédé innovant de conversion électro- catalytique de l’énergie solaire photovoltaïque en énergie chimique stockée dans l’hydrogène ‘vert’ utilisable in situ dans l’hydrogénation du CO2, avec un recyclage net de la ressource mise 2 en jeu, l’eau recyclée. Le procédé développé reposera sur l’usage de matériaux à faibles coût pour les électrodes, le catalyseur et les membranes, en partie recyclé des déchets pétroliers. Figure 1 Vue d’ensemble du procédé d’ électro-catalyse solaire de production in situ d’hydrogène vert pour l’hydrogénation du CO2 2 Méthodologie Le couplage solaire photovoltaïque-hydrogène vert a été étudié à échelle laboratoire au niveau de l’Ecole Supérieure de Technologies Industrielles par des procédés non-membranaires et membranaires reposant sur la voie électrolytique. Ce concept a été validé à l’échelle laboratoire en termes d’efficacité énergétique de conversion et de cinétique de production d’hydrogène pur, atteignant ainsi un niveau de maturité technologique TRL 3. La maitrise de l’efficacité du procédé et de son coût relève en grande partie des matériaux sélectionnés en tant qu’électrodes, catalyseur et membrane ou diaphragme de séparation. La piste des matériaux carbonés s’avère être un choix d’avenir tant pour les électrodes à base de mousse de carbone et de graphite et les catalyseurs à base de nanotubes de carbone ; des produits issus d’une fraction pétrolière peu valorisée, « le coke ». La maitrise de l’efficacité du procédé intégrant les matériaux à faible coût et son évolution vers des niveaux de maturité technologique supérieurs se fera dans le cadre de ce projet en suivant la méthodologie décrite ci-après et illustrées sur la Figure 2. I. Phase de développement (TRL 4): Expérimentation de manière incrémentale à échelle pilote des procédés électrolytique non membranaire, puis électro catalytique et l’intégration graduel des matériaux à faible coût. 3 • L’étude expérimentale du procédé électrolytique membranaire (y compris par des membranes à faible coût) et non membranaire de l’eau recyclée alimentée par un panneau solaire photovoltaïque sous les conditions météorologiques réelles • L’étude paramétrique de la performance cinétique et énergétique du procédé électro catalytique sous des conditions dynamique • La modélisation et simulation numériques du procédé intégré à échelle pilote II. Phase de démonstration (TRL 5) : Concevoir et mettre à l’échelle pilote le procédé électro-catalytique intégrant les électrodes, catalyseur et membrane/diaphragme à base de matériaux à faible coût • La conception du procédé couplé optimisé à échelle pilote • La réalisation du prototype conçu et son expérimentation au niveau de d’un site de démonstration de Sonatrach (site de pétrochimie ou d’extraction) • La confrontation des résultats de modélisation et simulation aux données récupérées à l’échelle pilote et le redressement du modèle. III. Phase de prématuration (de TRL5 à TRL 6) : Approcher le fonctionnement du dispositif développé à l’échelle du site de démonstration • La modélisation et simulation numérique du procédé mis à l’échelle avec des flux continus à l’échelle du site de démonstration • Adaptation du dispositif développé à l’’objectif d’hydrogénation du CO2 • Élaboration d’étude technico-économique mise à l’échelle en intégrant un système de régulation • Elaboration du plan de dissémination. 4 Figure 2 Volets de recherche et développement couvert par le projet 2.1 Empilement d’électrolyseur alcalin (non membranaire/membranaire) 2.1.1 Elaboration des électrodes et du catalyseur « low-cost » Le deuxième volet de l’étude portera sur l’élaboration des matériaux à faible coût à partir de fractions pétrolières peu valorisées, à savoir les électrodes et catalyseur à partir de coke de pétrole, et ce dans le but de modérer les conditions opératoires, mais aussi réduire les couts d’investissement et la dépendance en matière de consommables. 5 Figure 3 Synthèse des électrodes en graphite et du catalyseur à base de nanotubes de carbone à partir du coke de pétrole. 2.1.2 Elaboration de la biomembrane La récupération de gaz de haute pureté demeure un challenge de sécurité et de qualité en matière d’électrolyse. C’est pourquoi, la conception d’électrolyseur à compartiments séparés est l’un des principaux objectifs du présent projet. L’utilisation de diaphragme en gel synthétisable par un procédé non complexe est la solution présentée dans ce projet, en vue de réduire les coût en consommable, assurer une disponibilité permanente, tout en préservant la qualité qu’offrent les membranes et diaphragmes usuellement utilisés en électrolyse alcaline. 6 Figure 4 Electrolyte de polymère en gel pour la synthèse de diaphragme d’électrolyse alcaline. 2.1.3 Conception géométrique de l’électrolyseur et approche modulaire En matière d’objectifs techniques de mise à l’échelle du projet, la transition de l’échelle laboratoire à l’échelle pilote reposera sur l’étude de l’électrolyse alcaline membranaire et non membranaire visant à optimiser la cinétique de production d’hydrogène vert mais aussi l’efficacité de conversion énergétique, et ce en agissant sur la géométrie et la disposition des cellules. La conception et construction reposera initialement sur l’élaboration d’un module unique à échelle pilote, dont la duplication et la mise en série/ parallèle électriquement et hydrauliquement conduira à la mise à l’échelle adéquate, conformément à l’objectif visé. Cette démarche assurera une modulabilité, transportabilité et une meilleure maitrise du coût. Figure 5 Conception et réalisation du module d’électrolyse alcaline non membranaire/ membranaire. 7 2.2 Equipements périphériques L’installation pilote comprendra en plus de l’empilement d’électrolyse, faisant l’objet de l’apport technologique du présent projet, d’innombrables équipements périphériques assurant le bon fonctionnement du dispositif à échelle pilote, ainsi qu’un système de régulation permettant de connecter de manière adaptée et fiable les deux dispositifs entrant en jeu dans le procédé d’hydrogénation du CO2, à savoir, l’électrolyseur solaire fournissant de l’hydrogène vert, et le réacteur d’hydrogénation de CO2. Figure 6 Dispositif d’électrolyse alcaline avec les équipements périphériques en amont et en aval 8 2.3 L’analyse de cycle de vie de la production d’hydrogène par électrolyse Bien que l'hydrogène soit généralement considéré comme un carburant propre lors de sa phase d'utilisation (combustion directe ou utilisation dans les piles à combustible), sa production n’est pas sans impact négatif sur l'environnement. Pour avoir une image complète des consommations de ressources, des besoins énergétiques et des émissions, une analyse de cycle de vie de production d’hydrogène s’impose (de l’extraction de la matière première, fabrication, transport & utilisation, fin de vie). À cet égard, la production d'hydrogène peut être classée en trois phases : la fabrication et l'installation de la station (matériel), l'exploitation de la station (énergie utilisée pour faire fonctionner la station ainsi que la matière première pour la production d'hydrogène), et le stockage et/ou la livraison de l'hydrogène produit. Figure 7 Cycle de l’hydrogène vert Dans presque toutes les technologies de production d’hydrogène (c'est-à-dire du reformage du méthane à la vapeur à l'électrolyse), les impacts lies à la phase de fabrication de la station de production peuvent être mitigés en utilisant des matériaux plus écologiques ou bien recyclés. Néanmoins ; la phase d’exploitation de la station a des impacts environnementaux considérables. Dans le reformage du méthane à la vapeur, cela est dû à la consommation de gaz naturel comme matière première, et dans l'électrolyse, cela est dû à l'utilisation de l'électricité du réseau local produite à base de combustibles fossiles pour faire fonctionner l'électrolyseur. Dans le processus d'électrolyse, ces impacts peuvent être minimisés lorsque l'hydrogène est produit à l'aide uploads/Ingenierie_Lourd/ lettre-de-notification-cst-sonatrach.pdf