Un frein majeur au développement des énergies renouvelables à finalité électrogène réside dans l’inadéquation entre les moments de forte disponibilité des ressources, et les moments de forte demande de la part des consommateurs. Un élément de solution éventuel consisterait à utiliser l’énergie électrique excédentaire, en périodes de surproduction, pour produire du méthane de synthèse (power-to-gas). Cette approche présente l’avantage d’autoriser un lissage à l’échelle des saisons, car le méthane peut être stocké, transporté et utilisé facilement avec les systèmes existants. La réaction de méthanation CO_2+4.H_2⇄CH_4+2.H_2 O, étape clé de la chaine de power-to-gas, peut être réalisée dans un réacteur catalytique à lit fixe refroidi par la paroi. La conception d’un tel réacteur présente des difficultés d’ordre théorique et technologique. Du fait de la forte exothermicité de la réaction, cette dernière tend à être instable (emballement vs. extinction). De plus, la puissance électrique excédentaire varie au cours du temps : le régime de fonctionnement du réacteur (débit de mélange réactif à convertir) doit pouvoir varier en conséquence. L’exigence de fonctionnement dynamique, pour une réaction instable, fait apparaitre des difficultés spécifiques auxquelles ne sont pas confrontés les réacteurs fonctionnant en régime permanent (risque d’emballement transitoire). Dans ce contexte, un projet impliquant le Laboratorie de Thermique, Energétique et Procédés et la start-up industrielle ENOSIS a été mis en place pour contribuer au développement d’un réacteur performant et sûr. Ce projet bénéficie du financement de la région Nouvelle-Aquitaine.Dans la présente thèse, un critère théorique est introduit pour quantifier la marge de sécurité dont bénéficie un réacteur vis-à-vis des instabilités transitoires. Un logiciel est développé pour simuler, au premier ordre, le fonctionnement dynamique d’un réacteur. Cela permet d’illustrer l’optimisation d’un réacteur, en prenant en compte la contrainte de stabilité transitoire. Il est montré que l’utilisation d’un catalyseur dont la dilution est étagée, stratégie connue pour améliorer la sécurité et la performance des réacteurs en fonctionnement permanent, peut se réveler contre-productive en regard de critères transitoires de performance et/ou de sécurité. Une caractéristique clé du fonctionnement intermittent réside dans le temps de démarrage (ou de redémarrage à chaud) de la réaction, lors de l’injection soudaine de réactifs. Aussi, un examen de la durée de (re)démarrage d’un réacteur en fonction de sa température juste avant injection est mené. La relation entre température et vitesse de (re)démarrage se révèle approximativement affine. Dans un second temps, un modèle plus précis est développé et le logiciel correspondant est écrit, afin de distinguer le comportement thermique des grains catalytiques proprement-dits du comportement de grains inertes. Ces derniers, outre leur rôle de diluant, peuvent également présenter des propriétés thermiques dont l’exploitation autoriserait possiblement une stabilisation des transitoires critiques. Aussi, quelques simulations sont lancées sur des configurations de réacteur non-conventionnelles (grains inertes pouvant être chauffés par induction, grains à changement de phase). Les résultats obtenus permettent de mieux appréhender certaines difficultés qui seront à résoudre pour permettre l’utilisation éventuelle de ces technologies disruptives. En complément du travail théorique et numérique, une micro-campagne expérimentale a été menée au sein du Combustion and Catalysis Laboratory de New-York (mise en place d’un dispositif, collecte de premières données en vue d’une validation).En parallèle de ces différents axes de recherche, une solution technologique brevetable (non détaillée dans le présent manuscrit) a également été trouvée. / The development of renewable energy for electricity generation is significantly hindered by the discrepancy between the moments when high amounts of energy are available and the moments when consumers demand most power supply. A prospective solution consists in using electric power surplus to produce synthetic methane, during extra production periods (power-to-gas). This solution would enable to smoothen the electric balance from a season to another, since methane can be easily stored, transported and used in existing devices. The methanation reaction CO_2+4.H_2⇄CH_4+2.H_2 O is a key step in power-to-gas. It can be completed in a fixed-bed wall-cooled reactor. Designing such a reactor leads to theoretical and technological difficulties. Because the reaction is highly exothermic, it tends to be unstable (runaway vs. blow-out). Moreover, power surplus varies over time: the reactor must therefore enable dynamic operation (reactants flow rate variations). Dynamic completion of an unstable reaction leads to specific issues which do not exist for steady-state operating reactors (risk of a transient runaway). In this context, a project involving the Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés and the start-up company ENOSIS has been set up (with the financial support of French region Nouvelle-Aquitaine), to obtain a contribution to the development of a safe and efficient reactor. In the present work, a theoretical criterion is introduced to quantify the safety margin of a reactor towards transient instabilities. A software is developed to perform a simplified simulation of a reactor’s dynamic operation. This simulation tool is used to illustrate the process of optimizing a reactor, taking into account the transient stability constraint. It is shown that using a staggered catalyst dilution – a well known strategy to improve safety and efficiency for steady state operating reactors – can be counter-productive when it comes to transient safety/efficiency criteria. A key characteristic of intermittent operation lies in the start-up time (or warm restart-up time) of the reaction, when reactants are injected sharply. Therefore, we examined the (re)start-up time of a reactor as a function of its temperature just before injection begins. The temperature-(re)start time relation turns out to be nearly linear.Secondly, a more accurate model is developed and the corresponding software is encoded, with the aim of distinguishing the catalytic pellets from the inert pellets, in terms of thermal behavior. Not only do inert pellets play a diluting role, but they can also have specific thermal properties to stabilize critical transient sequences. A few simulations are thus performed on non-conventional reactor configurations (inert grains can be heated by induction, or undergo a phase change). The results provide a better understanding of some difficulties that should be solved before such disruptive technologies could eventually be operational.As a complement to the theoretical and numerical work, a micro experimental campaign is performed in the Combustion and Catalysis Laboratory of New-York (setting-up an experimental device, collecting data for future validation of the simulator).Alongside these lines of research, a patentable technological solution has also been found (not detailed in this manuscript).

[pt] Esta tese tem como objetivo estudar a viabilidade termodinâmica da reação de acetona a partir de etanol e água realizando cálculos utilizando o programa Thermo-Calc e a base de dados SSUB3 para equilíbrios de gases metaestáveis. Para a validação do método utilizado inicialmente foi calculado o equilíbrio para a reação da metanação de CO2 com H2, esse cálculo ocorreu sem grandes problemas e ainda foi adicionado o estudo da atividade química do carbono para evitar deposição de carbono sólido nos catalisadores. Para os cálculos da acetona foi considerado um equilíbrio metaestável pois ele não foi calculado utilizando todas as espécies químicas possíveis, isso foi feito para simular o efeito de catalisadores, que inibem a formação de algumas dessas espécies, já que se o cálculo fosse feito sem levar isso em conta se notou que a reação que ocorre é a de reforma do etanol pela água. A conversão de etanol e a seletividade das espécies químicas presentes em maior quantidade foram determinadas em função da temperatura e da razão de etanol e água, e os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais obtidos com catalisadores diversos. / [en] The mean goal of this thesis is to study the thermodynamic viability of the acetone formation reaction from ethanol and water by performing calculations using the program Thermo-Calc and the SSUB3 database for metastable gas equilibrium. As a validation of the method used the equilibrium was calculated for the methanation reaction of CO2 with H2. This calculation occurred without problems so the study of the chemical activity of the carbon was also added to avoid the deposition of solid carbon on the catalysts. For the acetone calculation, it was considered a metastable equilibrium because it was not possible to calculate using all possible chemical species. This was done to simulate the effects of catalysts, which inhibit the formation of some of these species. If the calculation was made with all chemical species, it was noted that the net reaction is the reform of ethanol by water.The conversion of ethanol and the selectivity of the chemical species present in greater quantities were determined as a function of temperature and ethanol and water ratio, and the results obtained were compared with experimental data obtained with different catalysts.

Le contexte environnemental (réchauffement climatique) et politique (augmentation du parc EnR) entraîne une mutation du paysage énergétique français. Le méthane de synthèse est présenté comme un vecteur énergétique permettant le stockage et le transport de l’électricité renouvelable en surproduction tout en recyclant le CO2 (Power-to-Methane). Un des objectifs de la thèse est de développer un catalyseur actif en co-méthanation d’un mélange post co-électrolyse H2/CO/CO2/H2O/CH4 (projet ANR CHOCHCO). Le catalyseur synthétisé est de type Ni/CZP. L’optimisation de la synthèse coprécipitation par l’utilisation combinée du sel précipitant (NH4)2CO3 et du tensioactif CTAB a mené à un catalyseur performant (absence de poison alcalin et augmentation de la surface spécifique) capable de produire du CH4 à basse température (250 °C) avec un rendement élevé. Le catalyseur a montré une résistance satisfaisante à la désactivation par dépôt de carbone et par frittage, indispensable pour le fonctionnement intermittent du procédé. Un modèle cinétique, de type Langmuir-Hinshelwood, a pour la première fois été développé sur un catalyseur de type Ni/CZP. / The environmental (global warming) and political (increase of the renewable electric farm) context leads to a mutation of the French energy landscape. Synthetic methane is presented as a energy carrier for storing and transporting renewable electricity in overproduction while recycling CO2, a process called Power-to-Methane. One of the objectives of the thesis is to develop an active catalyst for the co-methanation of a post-co-electrolysis mixture H2/CO/CO2/H2O/CH4 (CHOCHCO ANR project). A Ni/CZP type catalyst was synthesized in this purpose. The optimization of the coprecipitation synthesis by the combination of the precipitating salt (NH4)2CO3 and the surfactant CTAB has led to a high performance catalyst (absence of alkaline poison and increase of the specific surface area) able to produce CH4 at low temperature (250 °C) with a high yield. The catalyst showed a satisfactory resistance to carbon deposition and sintering deactivation, which is a key point for the intermittent operating conditions of the process. A kinetic model, of the Langmuir-Hinshelwood type, was developed for the first time on a Ni/CZP type catalyst.

La digestion anaérobie en voie sèche représente une opportunité de développement de la méthanisation sur le territoire français au vu des gisements agricoles disponibles sur le territoire. Toutefois, l’importance des verrous scientifiques et technologiques de par leur nombre et leur complexité rend cette technologie non mature et peu développée sur le territoire français. Dans ces travaux de thèse, il a été étudié dans un premier axe la mise au point de la détermination de la demande chimique en oxygène (DCO) pour des substrats solides avec un kit commercial rendant celle-ci utilisable sans dilution des déchets et utilisant une faible quantité de réactifs. Cette méthode est un outil de suivi des installations. Un deuxième axe d’étude qui s’est attaché à l’étude de la phase d’acidification, verrou majeur de la méthanisation phase sèche, a démontré l’impact de la conservation et de l’origine des inocula sur leur capacité à gérer une phase d’acidification en présence de déchets facilement hydrolysables. L’inoculum est un paramètre majeur de la méthanisation voie sèche et est pourtant peu étudié. Un troisième axe de cette thèse concerne l’étude des transferts hydriques sur des substrats d’origine agricole par une méthodologie de traçage et de modélisation via le modèle à deux régions d’eau mobile et immobile. L’évolution des transferts hydriques a été étudiée au cours de la digestion anaérobie de fumier bovin en digesteur 60 L montrant une diminution de la perméabilité du massif après le deuxième pic de production de méthane. Par conséquent, tout l’inoculum recirculé passe par les côtés et non au sein du massif solide. Deux fréquences de recirculation ont été testées permettant d’obtenir une amélioration de la production de méthane d’environ 20 %. La caractérisation des transferts hydriques obtenus pour ces deux modalités sont identiques après 32 jours de dégradation anaérobie. Le gain de méthane obtenu se fait donc jusqu’au deuxième pic de production de biogaz par la recirculation. Les bilans hydriques et massiques effectués sur ces digesteurs 60 L démontrent que 36 % de la matière organique sont retrouvés dans le digestat montrant un procédé non optimisé. Le quatrième axe d’étude a été de comprendre et d’étudier la dynamique des populations méthanogènes au sein de digesteurs de méthanisation voie sèche de 60 L selon deux configurations. Des expérimentations modulant l’immersion du massif solide ont conduit à obtenir une amélioration de 13 % de production de méthane pour la condition favorisant l’immersion. Cette augmentation de production de méthane est induite par une plus forte quantité de Methanosarcinaceae. La dynamique des populations méthanogènes a été étudiée dans la phase solide et liquide au cours de la digestion anaérobie montrant un transfert microbien de la phase liquide à solide pour un ordre des bactéries hydrogénotrophes, une hiérarchie de ces « hydrogénotrophes » dans le milieu et un fort développement des « acétotrophes » dans le milieu solide servant de support. Dans un cinquième axe, la mise en oeuvre de la tomographie électrique sur un digesteur de 30 m3 a permis de valider son utilisation pour localiser la phase liquide, les zones de potentiels méthane et les zones dégradées dans un container en fonction des protocoles de remplissage et de vidange du digesteur. Cette méthode est disponible pour localiser les zones mortes et donc pour optimiser le procédé de méthanisation en voie sèche type batch. A travers ces expérimentations menées à différentes échelles et avec différentes problématiques, des méthodologies ont été adaptées pour la compréhension des mécanismes et le suivi du procédé de méthanisation par voie sèche. / The dry anaerobic digestion (AD) process is an opportunity to develop the methanization in France. Agricultural waste is abundant in France. However, many scientific and technical locks are complex and must be solved to develop the dry anaerobic digestion process in France. In this work, the chemical oxygen demand (COD) method was adapted for solid waste no implying waste dilution or a high quantity of reagent. This COD method was available to monitor and manage the dry AD process. The study of acidification phase, a major lock of the dry AD process, showed that the storage condition and the origin of inoculum influence the capacity to manage this phase. The inoculum is a major parameter of the dry AD process. But, the inoculum is few studied.On another part of experiments concerned the water transfers studied on agricultural waste with a tracing method. The modeling of the elution curves to determine the diffusion and the convective transfers was made with a model with two Mobile-Immobile regions. The evolution of water transfers was studied during the AD cycle showing a decrease about the permeability of solid phase after the second peak of methane production. Thus, the inoculum passes on the board of solid phase. Two recirculations were tested allowing to obtain an improvement the methane production about 20 % after the AD cycle. The water transfers of these two recirculations modalities were identical after the AD cycle. The improvement of methane production occurred after the second peak of the methane production. Water and mass balances made showing that 36 % of organic matter was find in the digestat. Consequently, the process was not optimized. Others experiments modulating the immerged part of solid phase showed an improvement of the methane production about 13 % with the increasing of immerged part. This methane improvement was induced by the development of Methanosarcinaceae. The methanogens dynamics were studied in the liquid and solid phases during the AD process showing (i) a population transfer between the liquid phase to the solid phase, (ii) a hierarchy of hydrogenotrophs methanogens in the media, and (iii) a strong development of acetotrophs methanogens in the solid phase. In the final part, the electrical tomography was implemented in a dry AD batch at full scale (30 m3). This method was adapted to localize the liquid phase, the zones of methane potential and the degraded zones according to filling and the emptying protocols. This method can detect the “dead” zones of process in dry AD process.Though, experiments carried out at different scales and with different problematic and several methodologies were adapted to understand the dry AD process. Moreover, the optimization of dry AD process was finding to increase the methane production.

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.

[ES] La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de nuevas membranas de separación de gases, así como su empleo in-situ en reactores catalíticos de membrana para la intensificación de procesos. Para este propósito, se han sintetizado varios materiales, como polímeros para la fabricación de membranas, catalizadores tanto para la metanación del CO2 como para la reacción de síntesis de Fischer-Tropsch, y diversas partículas inorgánicas nanométricas para su uso en membranas de matriz mixta. En lo referente a la fabricación de las membranas, la tesis aborda principalmente dos tipos: orgánicas e inorgánicas. Con respecto a las membranas orgánicas, se han considerado diferentes materiales poliméricos, tanto para la capa selectiva de la membrana, así como soporte de la misma. Se ha trabajado con poliimidas, puesto que son materiales con temperaturas de transición vítrea muy alta, para su posterior uso en reacciones industriales que tienen lugar entre 250-300 ºC. Para conseguir membranas muy permeables, manteniendo una buena selectividad, es necesario obtener capas selectivas de menos de una micra. Usando como material de soporte otro tipo de polímero, no es necesario estudiar la compatibilidad entre ellos, siendo menos compleja la obtención de capas finas. En cambio, si el soporte es de tipo inorgánico, un exhaustivo estudio de la relación entre la concentración y la viscosidad de la solución polimérica es altamente necesario. Diversas partículas inorgánicas nanométricas se estudiaron para favorecer la permeación de agua a través de los materiales poliméricos. En segundo lugar, en cuanto a membranas inorgánicas, se realizó la funcionalización de una membrana de paladio para favorecer la permeación de hidrógeno y evitar así la contaminación por monóxido de carbono. El motivo por el cual se dopó con otro metal la capa selectiva de la membrana metálica fue para poder emplearla en un reactor de Fischer-Tropsch. Con relación al diseño y fabricación de los reactores, durante esta tesis, se desarrolló el prototipo de un microreactor para la metanación de CO2, donde una membrana polimérica de capa fina selectiva al agua se integró para evitar la desactivación del catalizador, y a su vez desplazar el equilibrio y aumentar la conversión de CO2. Por otro lado, se rediseñó un reactor de Fischer-Tropsch para poder introducir una membrana metálica selectiva a hidrogeno y poder inyectarlo de manera controlada. De esta manera, y siguiendo estudios previos, el objetivo fue mejorar la selectividad a los productos deseados mediante el hidrocraqueo y la hidroisomerización de olefinas y parafinas con la ayuda de la alta presión parcial de hidrógeno. / [CA] La present tesi doctoral es centra en el desenvolupament de noves membranes de separació de gasos, així com el seu ús in-situ en reactors catalítics de membrana per a la intensificació de processos. Per a aquest propòsit, s'han sintetitzat diversos materials, com a polímers per a la fabricació de membranes, catalitzadors tant per a la metanació del CO2 com per a la reacció de síntesi de Fischer-Tropsch, i diverses partícules inorgàniques nanomètriques per al seu ús en membranes de matriu mixta. Referent a la fabricació de les membranes, la tesi aborda principalment dos tipus: orgàniques i inorgàniques. Respecte a les membranes orgàniques, diferents materials polimèrics s'ha considerat com a candidats prometedors, tant per a la capa selectiva de la membrana, així com com a suport d'aquesta. S'ha treballat amb poliimides, ja que són materials amb temperatures de transició vítria molt alta, per al seu posterior ús en reaccions industrials que tenen lloc entre 250-300 °C. Per a aconseguir membranes molt permeables, mantenint una bona selectivitat, és necessari obtindre capes selectives de menys d'una micra. Emprant com a material de suport altre tipus de polímer, no és necessari estudiar la compatibilitat entre ells, sent menys complexa l'obtenció de capes fines. En canvi, si el suport és de tipus inorgànic, un exhaustiu estudi de la relació entre la concentració i la viscositat de la solució polimèrica és altament necessari. Diverses partícules inorgàniques nanomètriques es van estudiar per a afavorir la permeació d'aigua a través dels materials polimèrics. En segon lloc, quant a membranes inorgàniques, es va realitzar la funcionalització d'una membrana de pal¿ladi per a afavorir la permeació d'hidrogen i evitar la contaminació per monòxid de carboni. El motiu pel qual es va dopar amb un altre metall la capa selectiva de la membrana metàl¿lica va ser per a poder emprar-la en un reactor de Fischer-Tropsch. En relació amb el disseny i fabricació dels reactors, durant aquesta tesi, es va desenvolupar el prototip d'un microreactor per a la metanació de CO2, on una membrana polimèrica de capa fina selectiva a l'aigua es va integrar per a així evitar la desactivació del catalitzador i al seu torn desplaçar l'equilibri i augmentar la conversió de CO2. D'altra banda, un reactor de Fischer-Tropsch va ser redissenyat per a poder introduir una membrana metàl¿lica selectiva a l'hidrogen i poder injectar-lo de manera controlada. D'aquesta manera, i seguint estudis previs, el objectiu va ser millorar la selectivitat als productes desitjats mitjançant el hidrocraqueix i la hidroisomerització d'olefines i parafines amb l'ajuda de l'alta pressió parcial d'hidrogen. / [EN] The present thesis is focused on the development of new gas-separation membranes, as well as their in-situ integration on catalytic membrane reactors for process intensification. For this purpose, several materials have been synthesized such as polymers for membrane manufacture, catalysts for CO2 methanation and Fischer-Tropsch synthesis reaction, and inorganic materials in form of nanometer-sized particles for their use in mixed matrix membranes. Regarding membranes manufacture, this thesis deals mainly with two types: organic and inorganic. With regards to the organic membranes, different polymeric materials have been considered as promising candidates, both for the selective layer of the membrane, as well as a support thereof. Polyimides have been selected since they are materials with very high glass transition temperatures, in order to be used in industrial reactions which take place at temperatures around 250-300 ºC. To obtain highly permeable membranes, while maintaining a good selectivity, it is necessary to develop selective layers of less than one micron. Using another type of polymer as support material, it is not necessary to study the compatibility between membrane and support. On the other hand, if the support is inorganic, an exhaustive study of the relation between the concentration and the viscosity of the polymer solution is highly necessary. In addition, various inorganic particles were studied to favor the permeation of water through polymeric materials. Secondly, as regards to inorganic membranes, the functionalization of a palladium membrane to favor the permeation of hydrogen and avoid carbon monoxide contamination was carried out. The membrane selective layer was doped with another metal in order to be used in a Fischer-Tropsch reactor. Regarding the design and manufacture of the reactors used during this thesis, a prototype of a microreactor for CO2 methanation was carried out, where a thin-film polymer membrane selective to water was integrated to avoid the deactivation of the catalyst and to displace the equilibrium and increase the CO2 conversion. On the other hand, a Fischer-Tropsch reactor was redesigned to introduce a hydrogen-selective metal membrane and to be able to inject it in a controlled manner. In this way, and following previous studies, the aim is to enhance the selectivity to the target products by hydrocracking and hydroisomerization the olefins and paraffins assisted by the presence of an elevated partial pressure of hydrogen. / I would like to acknowledge the Spanish Government, for funding my research with the Severo Ochoa scholarship. / Escorihuela Roca, S. (2019). Novel gas-separation membranes for intensified catalytic reactors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/121139

This report travels through multiple disciplines to seek innovative and sustainable energy solutions for wastewater treatment plants. The first subject is a report about increased global temperatures and an over-exploitation of natural resources that threatens ecosystems worldwide. The situation is urgent where the current trend is a 2°C increase of global temperatures already in 2040. Furthermore, the energy-land nexus becomes increasingly apparent where the world is going from a dependence on easily accessible fossil resources to renewables limited by land allocation. A direction of the required transition is suggested where all actors of the society must contribute to quickly construct a new carbon-neutral resource and energy system. Wastewater treatment is as required today as it is in the future, but it may move towards a more emphasized role where resource management and energy recovery will be increasingly important. This report is a master’s thesis in energy engineering with an ambition to provide some clues, with a focus on energy, to how wastewater treatment plants can be successfully integrated within the future society. A background check is conducted in the cross section between science, society, politics and wastewater treatment. Above this, a layer of technological insights is applied, from where accessible energy pathways can be identified and evaluated. A not so distant step for wastewater treatment plants would be to absorb surplus renewable electricity and store it in chemical storage mediums, since biogas is already commonly produced and many times also refined to vehicle fuel. Such extra steps could be excellent ways of improving the integration of wastewater treatment plants into the society. New and innovative electric grid-connected energy storage technologies are required when large synchronous electric generators are being replaced by ‘smaller’ wind turbines and solar cells which are intermittent (variable) by nature. A transition of the society requires energy storages, balancing of electric grids, waste-resource utilization, energy efficiency measures etcetera… This interdisciplinary approach aims to identify relevant energy technologies for wastewater treatment plants that could represent decisive steps towards sustainability.