Description de nos activités
Dans le cadre du projet C3 (Closed Carbon Cycle), l’équipe de la HEIA-FR (Haute École d’Ingénierie et d’Architecture de Fribourg), dirigée par les professeurs Olivier Vorlet et Thierry Chappuis, pilote le développement d’un procédé de valorisation catalytique visant à convertir des alcanes légers en alcènes hautement réactifs. Ce procédé innovant a pour objectif d’offrir une alternative durable, hautement sélective et économe en énergie aux procédés conventionnels de craquage, particulièrement énergivores.
Dans le cadre du lot de travail 6 (Work Package 6 – WP6), l’équipe se concentre sur la conception, l’optimisation et le changement d’échelle d’un réacteur continu de déshydrogénation oxydante par boucle chimique (Chemical Looping Oxidative Dehydrogenation – CL-ODH). Les chercheurs étudient la conversion d’alcanes de faible masse moléculaire, tels que l’éthane et le propane, en leurs alcènes correspondants (éthylène et propylène) à l’aide d’une configuration de réacteur à lit fixe (Packed-Bed Reactor – PBR) fonctionnant entre 600 et 800 °C. Afin de maximiser la sélectivité en alcènes et de limiter les réactions secondaires indésirables, telles que la sur-oxydation en CO₂, l’équipe évalue systématiquement des transporteurs d’oxygène de type I (par exemple Fe₂O₃) ainsi que des catalyseurs bifonctionnels de type II (par exemple Sr₀․₈Ca₀․₂FeO₃₋δ associés à VOₓ/SiO₂).
Les travaux de recherche menés dans le WP6 reposent sur l’utilisation d’un réacteur monocellulaire fonctionnant selon une séquence alternée de réduction et d’oxydation (RED/OX). Ce dispositif est couplé à un système de spectroscopie FT-IR en ligne, permettant le suivi continu et en temps réel de la cinétique des réactions ainsi que la caractérisation des produits formés. Grâce à une méthodologie de plan d’expériences (Design of Experiments – DoE) et à la modélisation du procédé à l’aide de différents outils de simulation, l’équipe de la HEIA-FR vise à optimiser avec précision les principaux paramètres de performance, notamment la température, le temps de séjour et le rapport oxydant/alcanes. Cette approche globale a pour ambition non seulement d’améliorer l’efficacité catalytique du procédé, mais également d’évaluer sa consommation énergétique globale et sa faisabilité technico-économique, afin de préparer son futur déploiement à l’échelle industrielle.
Description de nos activités
Dans le cadre du projet C3, la HEPIA (Haute École du paysage, d’ingénierie et d’architecture) a pour objectif de développer une méthode à l’échelle du laboratoire pour la séparation des gaz produits lors de la plasmolyse des déchets plastiques, ainsi que d’évaluer les impacts environnementaux de l’ensemble de la chaîne de procédé C3 au moyen d’une Analyse du Cycle de Vie (ACV).
Au sein du lot de travail 4 (Work Package 4 – WP4), l’équipe de la HEPIA se consacre au développement et à la validation d’un système hybride de séparation des gaz adapté au mélange gazeux complexe issu de la dépolymérisation plasma de déchets plastiques mélangés. Cette approche comprend la distillation cryogénique, la séparation membranaire ainsi que la purification séquentielle des hydrocarbures C1 à C3, du CO₂ et de l’argon, avec un accent particulier sur l’efficacité de séparation, la pureté des produits obtenus et leur intégration dans l’ensemble de la chaîne de procédé C3.
Dans le cadre du lot de travail 5 (Work Package 5 – WP5), la HEPIA a étudié l’impact environnemental du cycle de vie conventionnel des plastiques d’origine fossile en évaluant son bilan énergétique et son empreinte carbone. L’équipe a également analysé les performances environnementales de procédés industriels établis permettant la production de gaz hydrocarburés à forte valeur ajoutée, tels que l’éthylène et l’acétylène. Parallèlement, des données ont été recueillies pour les principales étapes du cycle fermé du carbone proposé afin de développer un modèle complet d’Analyse du Cycle de Vie (ACV) couvrant l’ensemble du périmètre du projet C3.
Le procédé de séparation des gaz du projet C3
Le projet C3 vise à transformer des déchets plastiques mélangés, plutôt que de les incinérer, en gaz chimiques utiles et purs pouvant être réintroduits dans le cycle global (fermé) du carbone. Les plastiques sont d’abord décomposés par un plasma à haute énergie, produisant un mélange gazeux composé notamment de méthane, d’éthane, d’éthylène, de propane, de propylène et d’hydrogène (H₂).
La technologie membranaire permet de séparer les hydrocarbures et l’argon en exploitant les différences de taille moléculaire et leur vitesse de diffusion à travers le matériau de la membrane.
Ces gaz sont ensuite séparés et purifiés à l’aide de différentes techniques :
la distillation cryogénique, fondée sur les différences de températures d’ébullition ;
la séparation chimique par réaction moléculaire, utilisée pour distinguer les alcanes et les alcènes dont les températures d’ébullition sont très proches et difficilement différenciables.
Les gaz ainsi purifiés pourront être utilisés comme matières premières pour la fabrication de nouveaux polymères, sans accroître l’impact environnemental et tout en préservant les ressources de notre planète.
Description de nos activités
Le développement proposé d’une chaîne de procédés innovante pour le recyclage des déchets plastiques nécessite à la fois le développement des systèmes (réacteurs, machines, intégration) et le développement des procédés (identification des paramètres opératoires optimaux afin d’obtenir les meilleures performances).
Afin de répondre à cette double exigence de compétences, le consortium est composé de quatre écoles d’ingénierie disposant à la fois de compétences techniques et scientifiques pour le développement des systèmes (notamment en technologies plasma et réacteurs, réacteurs chimiques, conception mécanique et intégration de systèmes) et d’un savoir-faire en développement des procédés (notamment en procédés plasma ainsi qu’en chimie organique et inorganique). Le consortium est également en mesure d’évaluer les performances de la solution développée sous l’angle de l’impact environnemental et de l’analyse du cycle de vie.
Les compétences expérimentales et les connaissances théoriques sont ainsi combinées de manière à ce que le développement des réacteurs et la caractérisation expérimentale des systèmes puissent être efficacement accompagnés par la simulation. Cette approche permet de mieux comprendre le comportement des systèmes et de réduire le nombre d’itérations nécessaires pour atteindre les meilleures performances des différents composants.
Tandis que l’expertise en technologies plasma des équipes de la HES-SO Valais-Wallis - HEI et de la HEIG-VD sera principalement consacrée au développement du réacteur plasma, les compétences en chimie de la HEIA-FR et de la HEPIA permettront de développer les procédés catalytiques de valorisation des alcanes et des alcènes.
La séparation des gaz ainsi que l’intégration complète du système seront réalisées en combinant le savoir-faire de la HES-SO Valais-Wallis - HEI dans les procédés thermiques et la dynamique des fluides appliqués aux équipements industriels de grande échelle avec l’expérience en ingénierie mécanique de la HEPIA, comme détaillé ci-après.
Développement du réacteur et du procédé de plasmolyse
Le procédé de gazéification par plasma est structuré en deux axes de développement distincts, mais étroitement liés. D’une part, les réacteurs plasma seront conçus et construits dans le cadre des WP1 et WP2. D’autre part, le développement du procédé débutera dès que possible dans le WP3.
Cette approche est nécessaire, car l’expérience acquise lors du projet précédent [Ellert2024] a montré que les conditions permettant d’obtenir un rendement élevé en acétylène (C₂H₂) dépendent fortement de plusieurs facteurs, notamment la géométrie du réacteur plasma, les conditions d’exploitation (fréquence d’excitation, densité de puissance, pression et température) ainsi que le type de déchets plastiques à décomposer.
Au cours des quatre années du projet, les différentes étapes du procédé ainsi que leur enchaînement optimal seront déterminés. Par exemple, l’influence des périodes d’arrêt lors du fonctionnement pulsé du plasma sera étudiée. Ces informations sont essentielles, car elles permettront d’optimiser les paramètres du plasma en fonction de la composition des différents mélanges de déchets plastiques.
À terme, ces connaissances permettront, dans le cadre d’un projet de suivi réalisé avec des partenaires industriels, de commercialiser des chaînes optimisées de traitement par plasma et de séparation des gaz, adaptées soit à des flux de matières spécifiques (par exemple pour un client de l’industrie pharmaceutique), soit aux mélanges classiques de déchets ménagers.
Cette distinction deviendra plus claire lors de l’intégration de l’ensemble des unités de traitement — gazéification, séparation des gaz et valorisation — dans le cadre du WP7. C’est pourquoi le WP7 débutera également dès la première année, sur une base préliminaire, afin d’évaluer dans quelle mesure les premières unités peuvent être interconnectées et de définir une planification détaillée pour la deuxième année du projet.
Description de nos activités
Dans le cadre du projet C3 (Closed Carbon Cycle), l’équipe de la HEIG-VD (Haute École d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud), dirigée par le Dr Gilles Courret et Laurent Milliere, pilote le développement d’une technologie avancée de plasma micro-ondes dédiée à la valorisation durable des déchets plastiques. Au sein du lot de travail 2 (Work Package 2 – WP2), l’équipe se concentre sur la conception et l’optimisation d’un réacteur plasma fonctionnant à 2,45 GHz, spécifiquement conçu pour minimiser la consommation énergétique par unité de masse de polymère traité. Ce procédé favorise une rupture efficace des liaisons chimiques des déchets plastiques mélangés afin de les transformer en matières premières chimiques à forte valeur ajoutée.
Les travaux de recherche menés dans le cadre du WP2 visent notamment à augmenter la puissance du système d’alimentation, de 1 à 10 kW, afin d’accroître significativement le débit de traitement et d’atteindre une capacité d’alimentation pouvant aller jusqu’à 20 g/min. Grâce à la mise en œuvre de stratégies d’alimentation pulsée, l’équipe cherche à contrôler avec précision la sélectivité des réactions chimiques et à maximiser la production d’oléfines telles que l’éthylène. Cette approche vise un taux de conversion de 99 % ainsi qu’une amélioration de 50 % de l’efficacité énergétique, permettant de réduire le coût énergétique par kilogramme de plastique traité.
En s’appuyant sur des équipements économiquement compétitifs, cette technologie constitue une alternative circulaire fondée sur le plasma aux procédés conventionnels de craquage issus de la pétrochimie. Elle contribue ainsi à la valorisation des déchets plastiques tout en réduisant significativement les émissions de CO₂.
