Doctorat en « Développement et optimisation d’un contacteur gaz/liquide appliqué au captage du CO2 atmosphérique » – Programme MSCA Cofund SEED

Le captage du CO2 atmosphérique (DAC pour Direct Air Capture) est un secteur en pleine croissance qui a été identifié par le GIEC et l’AIE comme l’une des solutions essentielles pour lutter contre le changement climatique (capacité attendue de 980 MtCO2/an d’ici 2050).

L’une des branches technologiques du DAC repose sur une étape d’absorption pour solubiliser le CO2, suivie d’une régénération du solvant par diverses méthodes (thermique, électrochimique, hybride, etc.). Cette étape présente un certain nombre de défis :

• Minimisation de la consommation d’énergie spécifique (kWh/tCO2), et donc des pertes de charge ;
• Traitement d’un flux d’air, qui n’est pas un effluent, permettant d’envisager des taux de captage inférieurs par rapport au traitement des effluents gazeux ;
• Le débit volumique d’air est bien supérieur au débit volumique de solvant requis ;

Cependant, les fabricants traditionnels d’équipements pour réacteurs gaz/liquide ont principalement développé des contacteurs à contre-courant, et pour des applications de captage du CO2 des fumées, avec des concentrations plus élevées (8 – 20 % de CO2).

Depuis 2020, le fort développement des technologies DAC comportant un étage d’absorption a mis en évidence la nécessité de développer des réacteurs gaz/liquide adaptés aux enjeux de captage du CO2 dilué à faible concentration dans l’air atmosphérique.

Cette thèse vise à répondre aux enjeux scientifiques et industriels liés au développement d’un contacteur gaz/liquide pour les applications de captage du CO2 atmosphérique.

Les mécanismes de transfert et les réactions mises en jeu (transfert de masse, évaporation, transfert de chaleur) sont bien étudiés dans la littérature scientifique, mais les connaissances sur leur application au captage du CO2 atmosphérique restent rares.

Cette thèse propose de répondre aux questions suivantes :

• Quelle configuration de contacteur est la mieux adaptée à l’absorption atmosphérique du CO2 ?
• Comment optimiser les paramètres de fonctionnement pour minimiser la consommation d’énergie ?
• Comment modéliser les transferts de masse et de chaleur couplés pour ces configurations de contacteurs spécifiques ?
• Comment pouvons-nous extrapoler et étendre un réacteur à absorption gaz/liquide ?

La recherche implique des composants expérimentaux et de modélisation. Les travaux expérimentaux comprennent la conception et la construction d’un banc d’essai de contacteurs à courant croisé à l’échelle du laboratoire. Les tests exploreront divers paramètres, notamment le type de solvant, le garnissage structuré, le rapport de débit gaz-liquide, la température et les étapes de recirculation. La modélisation englobera l’absorption du CO ₂  , l’évaporation de l’eau et des solvants ainsi que le transfert de chaleur. Le modèle sera validé à l’échelle laboratoire et pilote, visant à représenter les phénomènes dans les réacteurs atmosphériques gaz/liquide, à réaliser des études de sensibilité et à aider à la conception d’unités industrielles développées par Maia.

Les travaux comprendront à la fois des aspects expérimentaux et de modélisation :

• Expérimental
  • Conception et construction d’un banc expérimental pour réaliser des tests d’absorption dans un contacteur à courants croisés à l’échelle laboratoire.
  • Réalisation de campagnes d’essais pour tester différents paramètres : nature du solvant, type de garnissage structuré, débit gaz-liquide, température, nombre d’étages de recirculation, etc.
• La modélisation
  • Développement d’un modèle pour rendre compte des phénomènes suivants :
    • absorption du CO ₂  dans le solvant (et réactions chimiques associées)
    • évaporation de l’eau et du solvant dans le flux d’air
    • transfert de chaleur
  • Le modèle développé peut être validé à 2 échelles :
    • banc d’essai en laboratoire
    • pilote développé par le partenaire non académique Maia
  • Les objectifs de cet outil de modélisation seront :
    • représenter les phénomènes impliqués dans un réacteur à flux croisés gaz/liquide dans des conditions atmosphériques
    • réaliser des études de sensibilité pour optimiser l’unité d’absorption (consommation d’énergie spécifique, coût de captage CAPEX/OPEX)
    • être utilisé pour dimensionner les unités industrielles développées par Maia

Des expériences en laboratoire seront menées à IMT Atlantique. Cela nécessite une installation dédiée avec un étage d’absorption doté d’un contacteur instrumenté couplé à des systèmes de contrôle et d’analyse du débit de fluide. Maia et IMT Atlantique développeront conjointement des modèles de simulation. IMT Atlantique apportera son expertise en écoulement de solvants réactifs en milieux poreux et en transfert de masse et de chaleur, en utilisant Comsol et Matlab. Les tests pilotes et l’analyse technico-économique nécessiteront une collaboration avec un partenaire universitaire secondaire.