Many countries strengthen their commitments to reduce greenhouse gas emissions to limit climate change and meet the Paris Agreement (Masson-Delmotte et al., 2019). Commitments include achieving net-zero emissions or in some cases even negative emissions (Government offices of Sweden, 2020a; United Nations, 2021a). To achieve these goals, carbon dioxide capture, utilization, and storage (CCUS) is considered as an essential strategy. Carbon capture storage and utilization are recognized methods of reducing or avoiding greenhouse gas emissions (IEA, 2019a, 2020). However, the uncertainty regarding costs, financial incentives, and pricing is impeding adoption. Further information is needed for CCUS concepts both in respect to cost estimates and required market prices for CCUS, this to provide guidance for decision makers and market actors. In this report a study has investigated the economic feasibility of three CCUS concepts for a biogas facility. One CCS concept where CO2 was captured and liquefied on-site to be transported to a terminal for shipping and end storage injection. The CCS concept annual capacity was ~16 500 ton net stored CO2. Two CCU concepts were considered, where synthetic natural gas (SNG) was produced via biologic methanation with on-site produced hydrogen, both with annual production of ~88 GWh SNG. A techno-economic assessment (TEA) was carried out where the key cost-drivers were identified, and the economic feasibility assessed. With performance and cost estimates for each process step in the different considered concepts a model was built where a cash flow was created and a net present value (NPV) could be calculated. The study found transportation to be the most prominent cost driver for CCS where shipping and storage represented 57 % of the total cost of CO2 removal. The cost driver for CCU concepts was found to be hydrogen production, where the electricity for the electrolyser constituted 65 % of the total cost of produced SNG. None of the concepts were found economic feasible when the Swedish market was considered. The break-even price for CO2 removal in the CCS concept was found to be 151 €/ton, just above the assumed base value used in this study. As the voluntary market is still undeveloped it is difficult to know what price that could be expected, however, in discussion with market experts a range between 150-200 €/ton would not be unthinkable for the concept studied. For the CCU concepts to be economically feasible, the estimated minimum price levels for SNG were 184 and 193 €/MWh respectively. Comparing to the benchmark price of diesel of 125 €/MWh, both CCU concepts were concluded to be unfeasible. The sensitivity analysis showed that the CCU concepts were very sensitive to variations in electricity price. When the German fuel market was considered, all studied concepts yielded a positive business case. CCS was the only concept showing economic feasibility, while the CCU concepts remained unfeasible. In the German market a GHG reduction quota credit was accounted for which was valued higher than the carbon removal credits in the voluntary market. / Många länder stärker sina åtaganden att minska utsläppen av växthusgaser för att begränsa klimatförändringen och uppfylla Parisavtalet (Masson-Delmotte et al., 2019). I åtagandena ingår att uppnå nettonollutsläpp eller i vissa fall till och med negativa utsläpp (Regeringskansliet, 2020a; FN, 2021a). För att uppnå dessa mål anses avskiljning, nyttjande och lagring av koldioxid (CCUS) vara en viktig strategi. Avskiljning, lagring och utnyttjande av koldioxid är erkända metoder för att minska eller undvika utsläpp av växthusgaser (IEA, 2019a, 2020). Osäkerheten kring kostnader, ekonomiska incitament och prissättning hindrar dock införandet. Ytterligare information behövs för CCUS-koncept både när det gäller kostnadsberäkningar och nödvändiga marknadspriser för CCUS, detta för att ge vägledning för beslutsfattare och marknadsaktörer. I den här rapporten undersöks den ekonomiska genomförbarheten av tre CCUS-koncept för en biogasanläggning. Ett CCS-koncept där koldioxid avskiljs och kondenseras på plats för att sedan transporteras till en terminal för slutlig sjöfrakt och injektion i geologiskt lager. Den årliga kapaciteten för CCS-konceptet var ~16 500 ton nettolagrad koldioxid. Två CCU-koncept övervägdes, där syntetisk natur gas (SNG) producerades genom biologisk metanisering med vätgas producerad på plats, där båda koncepten hade en årlig produktion av ~88 GWh SNG. En tekno-ekonomisk undersökning genomfördes där de viktigaste kostnadsdrivande faktorerna identifierades och den ekonomiska genomförbarheten bedömdes. Med hjälp av prestanda- och kostnadsberäkningar för varje processteg i de olika tänkta koncepten byggdes en modell där ett kassaflöde skapades och ett netto-nuvärde kunde beräknas. I studien konstaterades att transport var den mest framträdande kostnadsdrivande faktorn för CCS, där sjöfrakt och lagring stod för 57 % av den totala kostnaden för koldioxidavskiljning. Kostnadsdrivande för CCU-konceptet var vätgasproduktionen, där el till elektrolysen utgjorde 65 % av den totala kostnaden för producerad SNG. Inget av koncepten befanns vara ekonomiskt genomförbart när den svenska marknaden beaktades. Nollpunktspriset för koldioxidavskiljning i CCS-konceptet fanns vara 151 euro/ton, vilket är strax över det antagna basvärde som används i denna studie. Eftersom den frivilliga marknaden fortfarande är outvecklad är det svårt att veta vilket pris som kan förväntas, men i diskussioner med marknadsexperter skulle ett prisintervall på 150-200 €/ton inte vara otänkbart för det studerade konceptet. För att CCU-koncepten ska vara ekonomiskt genomförbara var de uppskattade minimipriserna för SNG 184 respektive 193 €/MWh. Jämfört med referenspriset för diesel på 125 €/MWh, ansågs båda CCU-koncepten vara ekonomiskt ogenomförbara. Känslighetsanalysen visade att CCU-koncepten var mycket känsliga för variationer i elpriset. När den tyska bränslemarknaden beaktades gav alla studerade koncept ett positivt netto-nuvärde. CCS konceptet var det enda konceptet som ansågs vara ekonomiskt genomförbart, medan CCU-koncepten förblev ogenomförbara. På den tyska marknaden räknades en kvot för minskning av växthusgasutsläpp in, som värderades högre än de krediter för avskiljning av koldioxid som fanns på den frivilliga marknaden.

Neste trabalho são apresentados resultados de estudos dos efeitos do pH e da atmosfera de síntese de eletrocatalisadores de Pt/C, Ru/C e PtRu/C sobre suas propriedades catalíticas frente à reação de oxidação de hidrogênio (ROH) na presença de CO. Também são comparados os desempenhos destes materiais em configurações eletródicas de misturas físicas de Pt/C + Ru/C, com o intuito de caracterizar o papel de cada catalisador sobre o mecanismo de tolerância ao CO, sobre fenômenos de oscilação do potencial anódico e sobre a produção transiente de metano, particularmente nos materiais de Ru/C. Em conjunto com os resultados experimentais, foram realizadas simulações cinéticas das respostas experimentais de voltametria de stripping de CO e dos experimentos de troca de gás, de forma a entender os processos de oxidação do CO e sua redução a metano, bem como dos efeitos sobre a eletrocatálise da ROH. Pode-se observar claramente elevada tolerância ao CO no sistema eletrocatalítico Pt-Ru/C, destacando-se a maior atividade dos materiais de PtRu/C e Ru/C sintetizados sob atmosfera redutora (H2), assim como a influência dos parâmetros de pH e atmosfera de síntese sobre o desempenho dos materiais de Pt/C. Através dos eletrodos constituídos por misturas físicas de Pt/C + Ru/C, foi possível discutir os efeitos do Ru sobre a atividade catalítica da Pt, verificando-se que a influência do efeito eletrônico é clara sobre os processos de adsorção/dessorção do CO adsorvido na Pt. Os resultados das simulações cinéticas ajudaram a entender os processos de oxidação do CO, identificando-se que em materiais de Pt/C o mecanismo aceito atualmente necessita de revisão em relação às espécies ativas desta reação. As simulações dos experimentos de troca de gás com produção de metano correspondem bem aos resultados experimentais, destacando-se que a influência das variáveis eletroquímicas se dá de forma direta sobre a etapa de hidrogenação do CO. / This work shows results of studies regarding the effects of pH and atmosphere of the synthesis on the electrocatalytic properties of Pt/C, Ru/C and PtRu/C materials for the hydrogen oxidation reaction (HOR) in the presence of CO. The performance of these materials were compared for distinct eletrodic configurations of Pt/C + Ru/C physical mixtures, to characterize the role of each catalyst on the CO tolerance mechanisms, the phenomena of anodic potential oscillations, and the transient methane production, particularly for Ru/C. Comparisons of kinetic simulation data with experimental results were carried out for CO stripping voltammetry and gasexchange results, in order to discuss the CO oxidation and reduction processes, as well as the mechanisms of the HOR electrocatalysis. The CO tolerance effects were clearly observed for all Pt/C-Ru/C electrocatalytic systems, with the PtRu/C and Ru/C materials synthesized under reductive atmosphere (H2) showing the highest activity and the performance of the Pt/C materials shows large dependence on the pH and the synthesis atmosphere. For the electrodes with Pt/C + Ru/C physical mixtures the CO tolerance properties was discussed in terms of the effect of Ru on the electronic properties of Pt, which affects the CO adsorption/desorption process in the Pt sites. The results of the kinetic simulations were useful to understand the CO oxidation processes and to show that the accepted mechanism for the Pt/C material needs some revision regarding the nature of the active species participating in the reaction. The results of the simulations of the gas exchange responses for methane production agree well with the experiments, also evidencing that the effects of the electrochemical variables occurs directly over the CO hydrogenation step.

Nos travaux s’inscrivent dans le contexte global de la transition énergétique et de l’émergence des micro-réseaux, et de leur capacité, à terme, d’intégrer la production distribuée d’énergie tout en assurant la stabilité et la qualité du service. Parmi les technologies émergentes, les procédés Power-To-Gaz et en particulier le Power-to-Methane que nous étudions ici (production de CH4 à partir de l’électricité, en passant par H2 et CO2) ont l’avantage : d’absorber le surplus de production électrique, de récupérer et valoriser les émissions de CO2, et d’offrir des capacités de stockage importantes et de longue durée.Notre problématique porte sur la modélisation et la simulation d’un système PtM avec comme objectif d’assurer la continuité d’alimentation en CH4, ainsi que la sécurité du système en fonctionnement.Dans un premier temps nous effectuons le choix de technologies adaptées afin de déterminer la structure d’un système PtM avant de dimensionner ce système. Nous nous appuyons sur la modélisation REM (Représentation Energétique Macroscopique) pour intégrer les comportements physiques des équipements du système en régime stationnaire, mais également en régime transitoire, en prenant en compte des phases comme : le démarrage, le préchauffage…, et ainsi simuler le fonctionnement de ce système.Dans un second temps, nous développons une stratégie de gestion d’énergie multiniveaux afin de garantir le bon fonctionnement des équipements et du système dans sa globalité. Nous choisissons de la mettre en œuvre à travers la proposition d’un système multi-agents (SMA) et nous modélisons chacun des agents. Nous implémentons partiellement ce SMA et nous le simulons en connexion avec le modèle REM du système PtM pour montrer la faisabilité de notre approche. / Our work is concerned with energy transition and the emergence of micro-grids and their ability to integrate distributed power generation while at the same time ensure stability and service quality. Among the emerging technologies, the Power to Gas process and in particular the Power to Methane process which we are addressing here (production of CH4 from electricity, via H2 and CO2), have the advantage of absorbing surplus of electricity production, recovering CO2 emissions, as well as offering significant and long-term storage capacity.Our concern was in relation to the modeling and simulation of a PtM system with the objective of ensuring the continuity of CH4 supply and ensuring the safety of the system in operation.First, we chose the appropriate technologies to determine the structure of a PtM system before sizing this system. We utilised the REM modeling (Energetic Macroscopic Representation) to integrate the physical behaviors of the equipment of the system in a steady state, and in a transient state, taking into account phases like starting, preheating…, and ultimately the simulation of the operation system.In the second phase, we developed a multilevel energy management strategy to ensure the proper working order of each piece of equipment and of the global system. We chose to implement it through a multi-agent system (MAS) and we modeled each one of the agents. We partially implemented the MAS and simulated it with the REM model of the PtM system to show the feasibility of our approach.

La synthèse Fischer-Tropsch (FT) permet de convertir un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone (gaz de synthèse) en hydrocarbures avec une distribution large de longueur de chaine. Le gaz de synthèse peut être produit à partir de différentes ressources comme le gaz naturel, le charbon et la biomasse. Afin de diversifier les sources d’énergie, la synthèse FT peut apporter une contribution pour la production de carburants liquides. Néanmoins, la formation de méthane pendant la réaction affecte la faisabilité économique du procédé. Cette étude a pour but de comprendre le mécanisme de formation du méthane sur des catalyseurs de FT. Pour atteindre cet objectif, une étude cinétique en régime transitoire couplée à la technique « SSITKA » a été mise en œuvre sur différents catalyseurs nickel et cobalt. Les données expérimentales sont ensuite utilisées pour alimenter un modèle microcinétique. En utilisant cette méthodologie, nous avons montré que deux intermédiaires distincts de surface conduisaient à la production de méthane. Le modèle microcinétique consiste en deux voies de production de méthane, l'une par dissociation directe de CO, l'autre par décomposition de CO assistée par hydrogène. Nous proposons que les proportions relatives de ces deux intermédiaires dépendent de la structure des particules métalliques, notamment la distribution des sites en sur les terrasses et les coins / The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) converts a mixture of hydrogen and carbon monoxide (syngas) selectively into hydrocarbons with a large chain length distribution. Syngas can be produce from different resources such as natural gas, coal and biomass. In the light of energy resource diversification, FTS can make a contribution to the production of liquid fuels. However, methane formation as byproduct has a large impact on the process economic feasibility. This study aims at the understanding of the methane formation over syngas conversion catalysts, such as nickel and cobalt. To this purpose, Steady-State Isotopic Transient Kinetic Analysis (SSITKA) and step-transient experiments over different nickel and cobalt samples have been carried out and the data have been used to develop a microkinetic model describing methane formation. By using these methodologies, it was found that the CO conversion to methane proceeds through two different surface intermediate species. The microkinetic model is developed on the hypothesis of two reacting paths leading to methane: the unassisted CO dissociation and the H-assisted CO decomposition. It is proposed that these two reacting intermediates are related to the structure of the catalyst particle, specifically to the distribution of the catalyst surface sites on terraces and steps

Neste trabalho são apresentados resultados de estudos dos efeitos do pH e da atmosfera de síntese de eletrocatalisadores de Pt/C, Ru/C e PtRu/C sobre suas propriedades catalíticas frente à reação de oxidação de hidrogênio (ROH) na presença de CO. Também são comparados os desempenhos destes materiais em configurações eletródicas de misturas físicas de Pt/C + Ru/C, com o intuito de caracterizar o papel de cada catalisador sobre o mecanismo de tolerância ao CO, sobre fenômenos de oscilação do potencial anódico e sobre a produção transiente de metano, particularmente nos materiais de Ru/C. Em conjunto com os resultados experimentais, foram realizadas simulações cinéticas das respostas experimentais de voltametria de stripping de CO e dos experimentos de troca de gás, de forma a entender os processos de oxidação do CO e sua redução a metano, bem como dos efeitos sobre a eletrocatálise da ROH. Pode-se observar claramente elevada tolerância ao CO no sistema eletrocatalítico Pt-Ru/C, destacando-se a maior atividade dos materiais de PtRu/C e Ru/C sintetizados sob atmosfera redutora (H2), assim como a influência dos parâmetros de pH e atmosfera de síntese sobre o desempenho dos materiais de Pt/C. Através dos eletrodos constituídos por misturas físicas de Pt/C + Ru/C, foi possível discutir os efeitos do Ru sobre a atividade catalítica da Pt, verificando-se que a influência do efeito eletrônico é clara sobre os processos de adsorção/dessorção do CO adsorvido na Pt. Os resultados das simulações cinéticas ajudaram a entender os processos de oxidação do CO, identificando-se que em materiais de Pt/C o mecanismo aceito atualmente necessita de revisão em relação às espécies ativas desta reação. As simulações dos experimentos de troca de gás com produção de metano correspondem bem aos resultados experimentais, destacando-se que a influência das variáveis eletroquímicas se dá de forma direta sobre a etapa de hidrogenação do CO. / This work shows results of studies regarding the effects of pH and atmosphere of the synthesis on the electrocatalytic properties of Pt/C, Ru/C and PtRu/C materials for the hydrogen oxidation reaction (HOR) in the presence of CO. The performance of these materials were compared for distinct eletrodic configurations of Pt/C + Ru/C physical mixtures, to characterize the role of each catalyst on the CO tolerance mechanisms, the phenomena of anodic potential oscillations, and the transient methane production, particularly for Ru/C. Comparisons of kinetic simulation data with experimental results were carried out for CO stripping voltammetry and gasexchange results, in order to discuss the CO oxidation and reduction processes, as well as the mechanisms of the HOR electrocatalysis. The CO tolerance effects were clearly observed for all Pt/C-Ru/C electrocatalytic systems, with the PtRu/C and Ru/C materials synthesized under reductive atmosphere (H2) showing the highest activity and the performance of the Pt/C materials shows large dependence on the pH and the synthesis atmosphere. For the electrodes with Pt/C + Ru/C physical mixtures the CO tolerance properties was discussed in terms of the effect of Ru on the electronic properties of Pt, which affects the CO adsorption/desorption process in the Pt sites. The results of the kinetic simulations were useful to understand the CO oxidation processes and to show that the accepted mechanism for the Pt/C material needs some revision regarding the nature of the active species participating in the reaction. The results of the simulations of the gas exchange responses for methane production agree well with the experiments, also evidencing that the effects of the electrochemical variables occurs directly over the CO hydrogenation step.

Après plusieurs décennies de consommation insouciante et inconsidérée des ressources d’origine fossile, l’humanité doit aujourd’hui faire face à une crise sans précédent concernant le réchauffement climatique global et la production et le stockage de l’énergie. Dans le double contexte de stockage des énergies renouvelables intermittentes et de valorisation du dioxyde de carbone, l’approche power-to-gas (conversion de l’énergie électrique en énergie chimique), et plus précisément la réaction de Sabatier (hydrogénation catalytique du dioxyde de carbone en méthane), apparait comme une stratégie attractive. Dans cette thèse, nous cherchons en particulier à réaliser la réaction de Sabatier en utilisant des nano-catalyseurs chauffés par induction magnétique. L’utilisation de nanoparticules magnétiques pour convertir l’énergie électromagnétique en chaleur – hyperthermie magnétique – est une approche d’intérêt grandissant dans le domaine de la catalyse, même si le domaine biomédical concentre évidemment la grande majorité des applications (hyperthermie magnétique, drug delivery, etc.). L’intérêt biomédical des nanoparticules synthétisées est d’ailleurs étudié et discuté. Dans ce contexte hautement pluridisciplinaire, nous décrivons la synthèse de nanoparticules magnétiques à base de carbure de fer dédiées à la catalyse par induction magnétique et à l’hyperthermie magnétique médicale. Nous montrons que la puissance de chauffe des nanoparticules de carbure de fer sous excitation magnétique est grandement influencée par leur teneur en carbone et leur cristallinité. En particulier, il apparait que lorsque la phase cristalline de carbure de fer Fe2.2C est largement majoritaire au sein des nanoparticules (> 80%), ces dernières possèdent des débits d’absorptions spécifiques (Specific Absorption Rate SAR) remarquablement élevés. Ces propriétés singulières nous ont permis de réaliser la réaction de Sabatier dans un réacteur à flux continu et d’obtenir des résultats extrêmement prometteurs. Nous avons ainsi été en mesure de démontrer que l’association du concept de catalyse par induction magnétique à la réaction de méthanation du CO2 représente une approche à la fois innovante et attractive dans le double contexte de stockage des énergies intermittentes et de valorisation du CO2. Pour finir, les nanoparticules de carbure de fer ont été fonctionnalisées avec des ligands dérivés de la dopamine, les rendant ainsi dispersables et stables en milieux aqueux pendant plusieurs semaines. La toxicité et l’internalisation cellulaire des systèmes [nanoparticules-ligands] ont été étudiées, et se révèlent grandement dépendantes de la nature des ligands utilisés. / After several decades of oblivious fossil resources consumption, humanity is now facing major issues regarding global warming and energy production and storage. In the double context of intermittent renewable energy storage and CO2 recovery, the power-to-gas approach, and especially the Sabatier reaction (catalytic hydrogenation of carbon dioxide to methane + water) is of special interest. The main goal of this thesis is to perform the Sabatier reaction using magnetically activated nano-catalysts. The use of magnetic nanoparticles to convert electromagnetic energy into heat is indeed an approach of growing interest in catalysis, even if the field of biomedicine obviously concentrate most of the applications (magnetic hyperthermia, drug delivery, etc.). In this respect, the interest of the synthesized nanoparticles for biomedical applications is studied and discussed. We describe herein a pathway to iron carbide nanoparticles allowing a fine tuning of their carbon content and magnetic properties. We show that the carbon content and the crystallinity of the synthesized nanoparticles greatly impact their magnetic heating efficiency. The Fe2.2C crystallographic phase especially appears to be the key to highly enhanced specific absorption rates (SARs). We took advantage of these exceptional heating properties to investigate the Sabatier reaction in a continuous flow reactor, the catalyst being activated through magnetic induction. The SAR of synthesized iron carbide nanoparticles appeared to be sufficient to reach the temperature required for the activation of the Sabatier reaction (typically > 250°C), and promising results were obtained in a continuous flow reactor. We were thus able to demonstrate that the concept of magnetically induced catalysis can be successfully applied to the CO2 methanation reaction and represents an approach of strategic interest in the double context of intermittent energy storage and CO2 valorization

La méthanisation est la bioconversion de la matière organique en digestat et en biogaz. La méthanation biologique consiste à faire réagir de l'H2 avec du CO2 en digesteur anaérobie pour augmenter le taux de CH4 dans le biogaz. Cette thèse vise la valorisation des fumées de cokeries contenant du CO2 et de l’H2 par injection dans un méthaniseur. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'injection des gaz de cokeries dans un méthaniseur et de quantifier la variation du taux de CH4. Pour cela, un réacteur de 100 L a été conçu. Des études préalables en réacteur de 2 L ont été menées expérimentalement et par simulation numérique des écoulements pour définir un mode d’agitation adapté. Il a été montré que l'agitation par un double-ruban hélicoïdal permettait d'accroitre la vitesse de production du biogaz de 50 % en comparaison avec un système d’agitation classique. La perméation membranaire à travers un tube en silicone a été utilisée pour l’injection du gaz dans le digestat. A l’aide du pilote conçu, fonctionnant pendant 152 jours, une expérimentation d’hydrogénation en continu a été réalisée avant l’injection simultanée d’H2 et de CO2. L'injection d'hydrogène pur a augmenté le taux de CH4 de 57,5 à 68,2 % et abaissé celui du CO2 de 42,3 à 31,5 %. L'hydrogène injecté est entièrement consommé, ce qui a validé le choix de la perméation membranaire comme système d’apport de gaz en milieu visqueux et qui a montré que la quantité d'H2 injectée était limitante. L'injection supplémentaire de CO2 en proportions des gaz de cokeries s'est traduite par une augmentation du débit global de biogaz de 5,0 à 5,6 L/h, composé d’environ 35 % en CO2 et 65 % en CH4 / Anaerobic digestion is the bioconversion of organic matter into digestate and biogas. Biological methanation consists in the reaction between H2 and CO2 in anaerobic digester to increase the level of CH4 in the biogas. This thesis aims at recovering the fumes from coking plants containing CO2 and H2 by injection into an anaerobic digester. The objective of this thesis is to study the feasibility of injecting coke oven gases into an anaerobic digester and to quantify the variations of the CH4 content. To this end, a 100 L reactor has been designed. Previous studies in 2 L reactor were performed experimentally and by computational fluid dynamics to define a suitable design of stirrer. It has been shown that stirring by a double helical ribbon increases the biogas production rate by 50 % in comparison with a conventional stirring system. Membrane permeation through a silicone tube was used to inject the gas into the digestate. 152 days experiment was performed in this pilot with a continuous hydrogenation step prior to the simultaneous injection of H2 and CO2. Injection of pure hydrogen increased the CH4 level from 57.5 % to 68.2 % and decreased that of CO2 from 42.3 to 31.5 %. The injected hydrogen is entirely consumed. This result validated the choice of membrane permeation as a gas supply system in viscous medium but showed that the amount of H2 injected was limiting. The additional injection of CO2 in proportions of coke oven gases resulted in an increase in the overall biogas flow rate from 5.0 to 5.6 L h-1, composed of about 35 % CO2 and 65 % CH4

Für PEM-Brennstoffzellen-Mikro-BHKW mit integrierter Dampfreformierung ist die Verwendung von LPG (Liquefied Petroleum Gas) bei fehlender Erdgasinfrastruktur interessant. Grundlage der BHKW-Effizienz ist eine optimale wärmetechnische Verschaltung, durch die u.a. das LPG/H2O-Gemisch effektiv auf die Reaktionstemperatur (700 °C) der Dampfreformierung vorgewärmt wird. In Abhängigkeit von der Verweilzeit, der das Gemisch ausgesetzt wird, können signifikante Mengen ungesättigter Kohlenwasserstoffe (C3H6, C2H4, C2H2) pyrolytisch gebildet werden, C3H6 kann des Weiteren bereits im LPG enthalten sein. Bei der katalytisch unterstützten Dampfreformierung fördert dies die Bildung verschiedenartiger kohlenstoffhaltiger Ablagerungen, wodurch eine vorzeitige Deaktivierung eintritt. In der Arbeit wird das Spaltpotenzial numerisch und experimentell untersucht. Durch Anwendung von Temperatur-Programmierter-Methanisierung und Ramanspektroskopie wird ferner der negative Einfluss bereits geringer C3H6-Anteile an einem Katalysator gezeigt. Aus den Ergebnissen werden abschließend Maßnahmen zur Minimierung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen abgeleitet. / The use of LPG (Liquefied Petroleum Gas) is an alternative for PEM fuel cell micro-CHP systems with integrated steam reforming in the absence of natural gas infrastructure. An optimized thermo technical interconnection is the basis of the CHP efficiency, whereby, among other things, the LPG/H2O-mixture is preheated to the steam reforming reaction temperature (700 °C). Significant amounts of unsaturated hydrocarbons (C3H6, C2H4, C2H2) can be formed pyrolytically depending on the residence time for preheating the mixture; furthermore, C3H6 can be already a component of LPG. These species promote the formation of different carbon containing deposits on the reforming catalyst whereby a premature deactivation occurs. The thesis deals with the investigation of the pyrolysis potential using numerical as well as experimental methods. Furthermore, the negative effect of already low amounts of unsaturated hydrocarbons on a catalyst is shown by using Temperature-Programmed-Methanation and Raman spectroscopy. Finally, actions for avoiding the production of carbon containing deposits are derived from the results.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude d’un système de stockage et de restitution des surplus d’énergie électrique de sources renouvelables. L’objectif de l’étude est d’évaluer la capacité du concept à absorber l’intermittence de la production électrique à travers l’analyse de la flexibilité des procédés choisis. En phase de stockage, l’unité utilise un procédé d’électrolyse basse température à membrane échangeuse de proton (PEM) pour produire l’équivalent de 200 MW d’hydrogène. Ce gaz sera combiné au dioxyde de carbone dans une série de réacteurs de méthanation pour former l’équivalent de 155 MW de substitut de gaz naturel. La phase de déstockage est réalisée au sein d’un cycle d’oxy-combustion d’une puissance installée de 480 MW. Ce cycle permet de restituer l’énergie contenue dans les gaz stockés et de produire le CO2 requis pour le procédé de méthanation. L’étude énergétique en régime stationnaire de cette installation montre que l’efficacité du procédé d’électrolyse atteint 69,3%, celle du procédé de méthanation 82,2% et celle du cycle d’oxy-combustion 51,8% sur PCS. L’analyse en régime transitoire de la phase Power-to-Gas permet d’identifier les stratégies de contrôle adaptées aux variations temporelles de conditions opératoires. Ces stratégies visent à permettre au système de couvrir des plages de fonctionnement plus larges et d’absorber plus de puissance électrique. Il s’est avéré que la production du méthane de synthèse peut s’étendre sur des plages de fonctionnement allant de 48% à 100% de la puissance nominale sans aucun apport énergétique extérieur. Le cas d’étude réalisé pour le couplage de l’unité avec un parc éolien de 300 MW permet d’évaluer les performances du Power-to-Gas en fonction de la variation de la source électrique. / The present work deals with the conceptual study and process design of a storage and recovery unit for renewable energy. The suggested concept is able to absorb the intermittency of the electrical production as a result of the flexibility of the chosen processes. During the storage phase, the unit uses a Proton Exchange Membrane electrolysis system to produce 200 MW of hydrogen, which will then be combined to carbon dioxide in a series of methanation reactors to generate up to 155 MW of Substitute Natural Gas. The recovery phase is carried out in a 480 MW oxy-combustion cycle which is not only able to restore the electrical energy but also provides the required carbon dioxide for the methanation process. The conducted steady state evaluation as well as the sensitivity analysis for the studied plant showed that the overall efficiency on HHV basis can reach up to 69.3% for the electrolysis process, 82.2% for the methanation process and 51.8% for the oxy-combustion cycle. The follow-up unsteady state analysis of the Power-to-Gas process aimed to identify the necessary control strategies adapted to operating conditions variation over time. Such strategies should enable the system to cover a wider load range and subsequently absorb more electrical power. It was found that, by making the right adjustments, the production of synthetic methane can be fulfilled at ranges between 48% and 100% of the nominal power without any external energy requirement. A case study was carried out where the unit was coupled with a 300 MW wind to assess the performance of the Power-to-Gas process under fluctuating electrical source conditions.

Combiné à une demande en énergie croissante, les ressources limitées de pétrole et de gaz naturel nous obligent à rechercher des alternatives plus propres et de plus en plus efficaces pour la production d'énergie. L'hydrogène (H2) est considéré comme un vecteur énergétique prometteur. Cependant, il existe plusieurs problèmes liés à l'utilisation de H2, depuis son transport jusqu'à sa distribution. La transformation de la molécule de H2 peut s’effectuer par la synthèse d’un composé contenant du carbone, à savoir du méthane (CH4), offrant ainsi la possibilité d'utiliser le réseau de transport existante. En effet, la réaction de Sabatier, qui est fortement exothermique, implique la réaction du dioxyde de carbone (CO2) et du dihydrogène afin de produire du méthane et de l’eau. Ce procédé, appelé méthanation, représente une approche réalisable contribuant à la réduction des émissions de CO2 dans l'atmosphère, à travers un cycle fermé du carbone impliquant la valorisation du CO2. Cependant, en dessous d’une température de 200 °C, la conversion devient proche de zéro, tandis qu’à des températures plus élevés (>300 °C), des réactions secondaires favorisant la formation du CO et d’H2 apparaissent. C’est une des raisons pour laquelle de nouveaux types de catalyseurs doivent être étudiés dans le but de maximiser la sélectivité du méthane à des basses températures et à pression atmosphérique. Par conséquent, en utilisant des catalyseurs associés aux plasmas DBD, l’activation de la réaction de méthanation peut ainsi être améliorée. Plusieurs catalyseurs contenant du Ni ont donc été synthétisés en utilisant différents oxydes de Ce-Zr en tant que supports, avec un ratio Ce-Zr variable. Les résultats obtenus dans des conditions adiabatiques à basses températures (comprises entre 120 et 150 °C), en présence de catalyseurs activés par plasma, sont prometteurs. La conversion du CO2 en CH4 est d’environ 85 % avec une sélectivité proche de 100 %. En l’absence de catalyseurs activés par plasma, cette même conversion est observée à 350 °C, tandis qu’à basses températures et sans plasma, celle-ci est presque nulle. Ce système à basse consommation d’énergie permet donc de diminuer le coût de production du méthane synthétique avec une durée de vie du catalyseur prolongée. / The limited resources of oil and natural gas, together with an increasing energy demand, forces us to seek more and more efficient and cleaner energy production alternatives. Hydrogen has been recently considered as a promising energy carrier. However, there are several inherent problems to the utilization of H2, from its transportation to its distribution. Transformation of the H2 molecule by fixing into a carbon-containing compound, i.e. CH4, will offer the possibility of using the conventional transportation network. Indeed, the Sabatier reaction, which is highly exothermic, involves the reaction of carbon dioxide and hydrogen gas in order to produce methane and water. This process, called methanation, represents a feasible approach contributing to the reduction of the CO2 emissions in our atmosphere, through a closed carbon cycle involving the valorization of CO2, i.e. from capture. However, below a temperature of 250 °C, the conversion becomes practically close to 0 %, whereas at higher temperatures, i.e., (>300 ºC), the co-existence of secondary reactions favours the formation of CO and H2. This is the reason why new catalysts and process conditions are continuously being investigated in order to maximize the methane selectivity at low reaction temperatures at atmospheric pressure. Therefore, by using catalysts combined to Dielectric Barrier Discharge plasmas (DBD), the activation of the methanation reaction can be enhanced and overcome the drawbacks of existing conventional processes. Several Ni-containing catalysts were prepared using various ceria-zirconia oxides as supports, with different Ce/Zr ratios. The results obtained in the adiabatic conditions at low temperatures (ranging between 100-150 °C), in the presence of catalysts activated by plasma, are promising. Indeed, the conversion of CO2 to CH4 is about 85 % with a selectivity close to 100 %. The same conversion in the absence of the plasma activation of the catalyst is observed at 350 °C. At low temperatures (120-150 °C) and without plasma, conversion is almost close to zero. This low consumption energy system helps reduce the cost of production of synthetic methane together with an extended life of the catalyst.