Première longue

15 septembre 2022

par Christina Lotz, Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE

Le méthanol joue un rôle important pour l'industrie en tant que produit chimique de base et est actuellement considéré comme l'un des vecteurs énergétiques clés dans l'économie croissante de l'hydrogène. Cependant, la production conventionnelle de méthanol à partir du charbon et du gaz naturel génère de grandes quantités d'émissions de gaz à effet de serre. Avec le projet Carbon2Chem, des partenaires de l'industrie, de la recherche et du milieu universitaire se sont donné pour mission d'explorer les procédés de production de méthanol à partir de gaz résiduaires industriels en prenant l'exemple de l'industrie sidérurgique.

Pour la première fois, la stabilité à long terme de la synthèse de méthanol à partir de gaz de haut fourneau purifiés a été démontrée dans une mini-usine Fraunhofer ISE d'une capacité de production de dix litres par jour sur un total de plus de 5 000 heures. En 2018, thyssenkrupp a fourni la preuve de concept pour la production de méthanol à partir de gaz de haut fourneau utilisé dans ce projet.

La synthèse de méthanol fossile et la production d'acier par voie de haut-fourneau à partir de charbon sont responsables d'importantes émissions de gaz à effet de serre de CO2. Lier les deux procédés nous permet de substituer le méthanol des carburants purement fossiles en faisant réagir de l'hydrogène vert avec les émissions de la production d'acier. "Les engagements pris dans le cadre de l'accord de Paris sur le climat ne peuvent être respectés qu'en reliant les secteurs industriels. Nous devons intégrer dans un cycle les émissions difficiles à éviter", explique le Dr.-Ing. Achim Schaadt, responsable du département des procédés thermochimiques chez Fraunhofer ISE.

Le projet Carbon2Chem, lancé en 2016, étudie les procédés de conversion des gaz de procédé de l'industrie sidérurgique en produits chimiques de base. "Dans Carbon2Chem, les forces innovantes de l'industrie, de la recherche appliquée et des universités sont combinées pour parvenir rapidement à une solution globale implémentable et systémiquement optimisée", déclare Luis F. Piedra-Garza de thyssenkrupp Steel Europe.

Fraunhofer ISE, qui travaille dans le domaine de la synthèse du méthanol depuis dix ans, s'est appuyé sur un concept de traitement simple et robuste pour le développement de la mini-usine. Il est basé sur deux réacteurs adiabatiques non refroidis et sur un recyclage industriel des gaz n'ayant pas réagi. L'usine a été testée avec des gaz en bouteilles à Fraunhofer ISE à Fribourg en 2017 avant d'être transférée à l'usine pilote Carbon2Chem à Duisburg en 2019.

Les gaz d'échappement de l'aciérie intégrée voisine sont traités dans un système de purification de gaz de thyssenkrupp Industrial Solutions à l'aide de catalyseurs et de sorbants de la société de produits chimiques spécialisés Clariant et sont dépourvus de poisons de catalyseur pour la synthèse ultérieure.

« Le personnel de thyssenkrupp Uhde Engineering Services assure le fonctionnement 24 heures sur 24 du système d'épuration des gaz. L'aciérie fonctionne en trois équipes, il y a donc toujours assez de gaz. Nous avons donc des conditions idéales pour un fonctionnement continu à l'échelle d'une usine pilote », explique Max Hadrich, responsable du groupe Power to Liquids chez Fraunhofer ISE.

En un total de plus de 5 000 heures de fonctionnement sur site, plus de 1 500 litres de méthanol brut ont été produits. L'accent a été mis sur l'utilisation du gaz de haut fourneau purifié qui représente la plus grande part - 85 % - des gaz d'aciérie. Lors d'un test à long terme de plus de 3 000 heures, aucune baisse significative de l'activité du catalyseur n'a été détectée. Ceci atteste du bon fonctionnement du catalyseur et de la conception de l'usine. « Carbon2Chem et la collaboration avec Fraunhofer ISE fournissent un cadre idéal pour souligner les performances de nos catalyseurs industriels de synthèse de méthanol MegaMax pour la conversion efficace et stable des gaz de procédé riches en CO2 », déclare le Dr Andreas Geisbauer du partenaire du projet Clariant.

Une condition préalable importante pour l'optimisation du procédé de synthèse de méthanol à partir de gaz de synthèse riche en CO2 est l'amélioration du modèle cinétique du catalyseur Clariant utilisé dans Carbon2Chem, car les réactions avec une boucle de recyclage telles que la synthèse de méthanol nécessitent une compréhension approfondie des interactions complexes des paramètres du procédé.

Sur la base du modèle cinétique amélioré développé en interne, Fraunhofer ISE a pu créer un jumeau numérique de la mini-usine. Cela permet d'accélérer les processus d'apprentissage tout en minimisant les risques de mise à l'échelle pour les futures installations industrielles. « Après avoir validé nos modèles avec les données de la mini-usine, nous avons pu simuler et optimiser les paramètres de l'usine. Grâce aux résultats de la simulation, nous avons réussi à augmenter progressivement les performances de la mini-usine », explique Florian Nestler, chercheur associé chez Fraunhofer ISE.

Les gaz d'aciérie sont une matière première essentielle pour l'usine, mais ne sont pas constants dans leur quantité et leur composition. Cette condition aux limites, qui se produit fréquemment pour les procédés basés sur des sources d'énergie renouvelables fluctuantes, est un nouveau défi pour la synthèse du méthanol. Selon les conditions d'exploitation ou les matières premières disponibles, les propriétés des gaz issus de la cokerie, du haut fourneau (conversion du minerai de fer en fonte brute) ou du convertisseur (conversion de la fonte brute en acier) peuvent varier considérablement. Avec les données collectées, un concept de contrôle peut maintenant être conçu pour répondre aux changements en temps réel et maintenir la synthèse à un point de fonctionnement optimal à tout moment.

"Nous sommes heureux d'avoir mené à bien les essais à Duisburg et de pouvoir nous consacrer à l'intensification du processus", déclare Max Hadrich. Les modèles de processus validés seront utilisés dans une prochaine étape pour concevoir des usines à grande échelle, effectuer des évaluations technico-économiques et évaluer l'empreinte CO2 du processus.