Hydrogen Production from Microwave Heating-Assisted Thermal Pyrolysis of Methane

L’hydrogène (H2) est reconnu comme un vecteur énergétique essentiel dans la transition vers une économie à faible émission de carbone. Il possède une densité énergétique élevée et ne produit que de la vapeur d’eau lors de sa combustion. Le H2 joue un rôle clé dans la décarbonation des secteurs difficiles à électrifier tels que le transport lourd, les procédés industriels et la production chimique. Avec l’essor des systèmes énergétiques durables à l’échelle mondiale, les technologies de production d’ H2 doivent évoluer afin de minimiser leur impact environnemental tout en répondant à une demande croissante. Les méthodes conventionnelles de production d’ H2, notamment le reformage à la vapeur du méthane (SMR), sont associées à d’importantes émissions de dioxyde de carbone (CO₂). Leur forte dépendance aux combustibles fossiles compromet leur compatibilité avec des systèmes énergétiques neutres en carbone. Parmi les alternatives émergentes, la pyrolyse thermique du méthane (CH4) offre une voie de production d’H₂ sans émission de CO₂, en générant de l’hydrogène et du carbone solide sans oxydant ni gaz à effet de serre au niveau du réacteur. Toutefois, le déploiement industriel de cette technologie est freiné par des défis liés à l’apport de chaleur, à l’encrassement des réacteurs et à la gestion du sous-produit solide. Ces limitations peuvent être surmontées grâce à des configurations de réacteurs innovantes et à des stratégies de chauffage alternatives. Cette étude explore une méthode innovante et durable de production continue d’H₂ par pyrolyse thermique de CH4 dans un réacteur à lit fluidisé assisté par chauffage micro-ondes (MW-FBR). L’objectif est de remédier aux inconvénients environnementaux des méthodes conventionnelles, notamment leur dépendance aux énergies fossiles et leurs émissions de CO2. L’énergie micro-ondes, lorsqu’elle est produite à partir de sources renouvelables, permet d’éliminer les émissions directes de carbone liées au chauffage. Le procédé utilise des particules diélectriques inertes dans le lit fluidisé, évitant ainsi la désactivation catalytique fréquente dans les voies catalytiques. Le lit fluidisé offre également une flexibilité opérationnelle pour la gestion du carbone pyrolytique, lorsque les conditions de réaction favorisent son dépôt sélectif et sa rétention sur la surface des particules.

Abstract

Hydrogen (H2) is recognized as a critical energy carrier in the transition to a low-carbon economy. It has high energy content and clean combustion byproduct. H2 is important in decarbonizing hard-to-electrify sectors such as heavy-duty transportation, industrial processing, and chemical manufacturing. With the global momentum shifting toward sustainable energy systems, H₂ production technologies must evolve to ensure minimal environmental impact while meeting rising demand. Conventional H2 production methods, particularly steam methane reforming (SMR), are associated with significant carbon dioxide (CO2) emissions. Conventional methods heavy reliance on fossil fuels undermines their suitability for climate-neutral energy systems. Among emerging alternatives, methane (CH4) thermal pyrolysis presents a CO2-free pathway, producing H2 and solid carbon without involving oxidants or generating greenhouse gases at the reactor level. However, scaling this route faces challenges related to heat delivery, reactor clogging, and effective carbon byproduct handling. Theses barriers can be addressed through innovative reactor configurations and heating strategies. This study investigates a novel and sustainable method for continuous H₂ production through CH₄ thermal pyrolysis using microwave (MW) heating-assisted fluidized bed reactor (MW-FBR). The motivation for this work lies in addressing the environmental drawbacks of conventional H₂ production methods, particularly their reliance on fossil fuels and substantial CO₂ emissions. MW energy, when generated from renewable sources, offers an environmentally friendly alternative by eliminating direct carbon emissions associated with heat generation. The process employs inert dielectric particles within the fluidized bed, effectively avoiding catalyst deactivation problems typically encountered in catalytic pathways. The fluidized bed provides operational flexibility for managing the pyrolytic carbon product when the reaction conditions promote its selective deposition and retention on the surface of the fluidized particles.