Microwave Heating-Assisted Chemical Looping Ammonia Synthesis

Remplacer les combustibles fossiles par des sources d’énergie renouvelables constitue une stratégie prometteuse pour lutter contre le réchauffement climatique. Toutefois, la nature intermittente des énergies renouvelables complique leur stockage et leur transport. L’hydrogène vert (H2), produit à partir d’électricité renouvelable, représente une solution de stockage prometteuse. Cependant, sa forte inflammabilité et l’énergie nécessaire à sa liquéfaction ou à sa compression posent de sérieux défis. La conversion de l’hydrogène vert en ammoniac constitue une alternative plus sûre et plus pratique, réduisant jusqu’à trois fois les coûts de stockage et de transport, car l’ammoniac peut être liquéfié dans des conditions plus douces. Le procédé Haber-Bosch (HB) est largement utilisé pour la production d’ammoniac, mais il nécessite des conditions extrêmes (100–300 bar, 450–600°C) et n’est économiquement viable qu’à grande échelle (1000–5000 tonnes/jour). Dans cette thèse, nous avons introduit la technologie de synthèse d’ammoniac par bouclage chimique assisté par chauffage micro-ondes (MHCLAS). En intégrant le chauffage micro-ondes (MW) à la synthèse d’ammoniac par bouclage chimique (CLAS), nous avons obtenu une production d’ammoniac à pression atmosphérique et à des températures de masse aussi basses que 150°C. La méthode CLAS divise la synthèse en deux étapes : la nitruration et l’hydrogénation. Lors de la nitruration, un porteur d’azote (NC) spécialement conçu est exposé à un flux de N2, facilitant sa dissociation et la formation de nitrures. Ensuite, le NC nitruré réagit avec H2 pour produire de l’ammoniac et régénérer le NC, complétant ainsi le cycle. Cette méthode évite l’adsorption compétitive de N2 et H2 sur les catalyseurs, une limite majeure du procédé HB. Pour réduire davantage la température de réaction, nous avons développé un nouveau NC et mis en œuvre un chauffage MW sélectif pour maximiser la production en maintenant une température gazeuse plus basse que celle du solide.

Abstract

Replacing fossil fuels with renewable energy helps combat global warming, but the intermittent nature of renewables makes their storage and transport challenging. Green hydrogen (H2), produced via renewable electricity, is a promising energy storage solution. However, its high flammability and the energy required for liquefaction or compression pose significant challenges. Converting green H2 into ammonia provides a safer, more practical alternative, reducing storage and transportation costs by up to three times since ammonia can be liquefied under milder conditions. The Haber-Bosch (HB) process is a widely used method for ammonia production. However, it requires extreme operating conditions (100–300 bar, 450–600°C) and is economically viable at large scales (1000–5000 tonnes/day). In this thesis, we introduced microwave (MW) heating-assisted chemical looping ammonia synthesis (MHCLAS) technology. By integrating MW heating with chemical looping ammonia synthesis (CLAS), we achieved ammonia production at atmospheric pressure and bulk temperatures as low as 150°C during the ammonia synthesis stage. CLAS divides the ammonia synthesis process into two distinct stages: nitridation and hydrogenation. In the nitridation stage, a specially designed nitrogen carrier (NC) is exposed to a nitrogen gas (N2) stream, facilitating nitrogen molecule dissociation and the formation of NC nitrides. Subsequently, in the hydrogenation stage, the nitrided NC reacts with H2 gas, producing ammonia while regenerating the nitrogen-depleted NC, thus completing the cycle. This approach addresses the competitive adsorption of N2 and H2 on the catalyst surface, a major limitation of the HB process, by allowing the independent dissociation of N2 and H2. To further decrease the reaction temperature, which is crucial for preserving ammonia and preventing its decomposition, we developed a new NC. We implemented selective MW heating to maximize the ammonia production rate by lowering the gas phase temperature compared to the solid phase.