À Caen, un réacteur chimique atteint 800 °C en chauffant de l’intérieur

À l’ENSICAEN, un réacteur de seulement 90 mL atteint 800 °C avec moins de 200 watts de puissance électrique. Sa particularité : la chaleur est produite directement parmi les particules qui remplissent le réacteur, plutôt que transmise depuis les parois. Cette expérience caennaise est le point de départ du projet e-CP, dont les six laboratoires partenaires ont lancé les travaux le 22 octobre.

L’objectif est de réduire le recours aux combustibles fossiles pour l’une des opérations les plus gourmandes en énergie de l’industrie chimique : chauffer des substances à plusieurs centaines de degrés pour les transformer. La fabrication de l’éthylène, utilisé notamment dans les plastiques, exige par exemple des températures proches de 850 °C. Aujourd’hui, cette chaleur provient largement de fours alimentés par des combustibles fossiles.

Un chauffage au milieu des particules

Le réacteur développé à l’ENSICAEN utilise l’effet Joule, le phénomène qui fait chauffer une résistance électrique. Mais au lieu de placer cette résistance autour du récipient, les chercheurs font circuler le courant à travers des matériaux conducteurs présents à l’intérieur.

Ces particules sont maintenues en mouvement par un flux de gaz, formant ce que les chimistes appellent un « lit fluidisé bouillonnant ». Leur circulation doit permettre de répartir la chaleur dans le milieu réactionnel et d’éviter les zones de surchauffe.

En produisant la chaleur au sein même du réacteur, le procédé pourrait limiter les pertes liées à son transfert depuis les parois et mieux contrôler la température là où les molécules se transforment.

Encore faut-il trouver les bons matériaux. Le graphène et le carbure de silicium font partie des candidats étudiés. Les particules doivent conduire l’électricité, résister aux températures élevées et, pour certaines réactions, assurer également un rôle de catalyseur.

Du chauffage à la réaction chimique

Le prototype caennais a démontré qu’un tel dispositif pouvait maintenir une température de 800 °C. Les 200 watts annoncés concernent ce petit appareil expérimental : ils ne constituent pas une mesure de l’énergie nécessaire pour produire une quantité donnée de substance chimique.

Le Laboratoire Catalyse et Spectrochimie (LCS) indique avoir déjà validé le principe sur le craquage thermique de l’éthane. Il ne publie toutefois pas les résultats chiffrés de cette réaction.

Les chercheurs s’attaquent notamment à la déshydrogénation du propane, qui permet de fabriquer du propylène, une matière première utilisée dans les plastiques. Ils devront comparer le chauffage conventionnel et le chauffage électrique, mesurer les performances des catalyseurs et suivre leur dégradation.

Un catalyseur performant pendant quelques minutes peut devenir inutilisable lorsqu’il s’encrasse ou se détériore au fil des réactions.

Une spécialité caennaise face aux géants de la chimie

Le projet e-CP dispose de 3,98 millions d’euros sur quatre ans, dans le cadre du programme national de recherche PEPR SPLEEN. Il est coordonné par Ludovic Pinard, professeur à l’ENSICAEN et chercheur au LCS.

À Caen, le LCS apporte ses compétences en catalyse et en étude des matériaux pendant leur fonctionnement. Le GREYC contribue aux questions d’instrumentation et de modélisation. Ces recherches prolongent notamment le projet LEADER, mené en 2024 et 2025 sur des réacteurs électrifiés à lit de particules.

L’électrification des procédés chimiques progresse aussi à une tout autre échelle. En Allemagne, BASF, SABIC et Linde ont inauguré en 2024 un démonstrateur de vapocraquage électrique de 6 mégawatts. Deux méthodes y sont testées : les tubes de réaction sont chauffés soit directement par le passage du courant, soit par rayonnement d’éléments chauffants. À Caen, les chercheurs tentent de produire la chaleur directement dans le lit de particules.

Le programme français vise une réduction potentielle de 50 % des émissions de CO₂ des procédés ciblés. Ce gain devra être établi par des essais et des bilans énergétiques, en tenant compte notamment de l’origine de l’électricité.

Dans les laboratoires caennais, la prochaine étape consiste à montrer que le réacteur peut fabriquer efficacement les molécules recherchées, sans que ses particules perdent leurs propriétés au fil des heures.