Fluides pour l’Extraction et la production d’Energie

Responsable : Yohann Coulier, Maître de Conférence UCA



 

Sujets de recherche

La thématique s’intéresse à la caractérisation thermodynamique de systèmes fluides pour répondre à des problématiques rencontrées dans des procédés industriels. Les études menées au laboratoire combinent l’acquisition de données expérimentales et la modélisation thermodynamique des équilibres de phase et des propriétés énergétiques.

Pour cela, la thématique FEE développe des techniques expérimentales originales pour la détermination i) des propriétés énergétiques (enthalpies, capacités calorifiques) et volumiques, ii) de diagrammes d’équilibre de phase (LLE, SLE, VLE) et iii) de spéciations à l’équilibre.

Les données expérimentales permettent de caractériser les propriétés des systèmes sur de larges gammes de températures, pressions et compositions. Elles sont utilisées pour ajuster ou valider des modèles de corrélation ou de simulation moléculaire. Les modèles thermodynamiques classiques permettent la corrélation et l’interprétation des résultats. Cependant, le développement de modèles plus prédictifs reste un défi important pour l'étude de systèmes complexes et la compréhension des interactions.

Les activités de recherche de la thématique FEE sont orientées autour de quatre axes :

Captage et stockage du CO2

Un des verrous technologiques pour le développement à grande échelle des procédés de captage du CO2 est le coût énergétique de la régénération des solutions absorbantes. Les études menées au sein de l’équipe combinent la détermination expérimentale des propriétés d'absorption, la modélisation thermodynamique et la simulation moléculaire. Les projets actuels concernent l’étude de nouveaux fluides en rupture, plus particulièrement les solvants eutectiques profonds commutables, c’est-à-dire présentant un changement d’hydrophobicité sous stimulus externe, pour la séparation sélective du CO2 (thèse Olympe LONGERAS, et Julian CASTANEDA).

Une fois le CO2 séparé des effluents industriels, il doit être soit valorisé soit stocké dans des zones de stockage sures. Une des voies envisagées est le stockage géologique dans des aquifères salins. La connaissance géologique, géochimique et thermodynamique de tels milieux est fondamentale pour éviter des problèmes environnementaux graves (déversement brutal d’une grande quantité de gaz par exemple). Dans ce contexte, l’étude des variations des propriétés physico-chimiques (pH, ...) et thermodynamiques (enthalpies de dissolution du gaz, limite de solubilité...) du milieu en présence du gaz dissous est fondamentale. Les études expérimentales menées au laboratoire dans des conditions proches des sites de stockage (hautes températures et hautes pressions) seront des données fondamentales pour le développement ou l’ajustement de modèles thermodynamiques rigoureux décrivant ces milieux, afin de pouvoir prédire le comportement des sites en présence de gaz dissous.

Procédés géothermiques pour la production d’énergie

La problématique décrite pour le stockage du CO2 est commune aux projets concernant le développement et l’exploitation des installations géothermiques. Le manque de données expérimentales ne permet pas le développement de modèle thermodynamique suffisamment adaptés aux procédés envisagés et les opérateurs doivent généralement effectuer des tests coûteux spécifiques à chaque site. Le projet européen GEOPRO (2019-2022), financé par le programme de recherche et d'innovation H2020, a pour objectif, dans premier temps, de fournir les données thermodynamiques et cinétiques clés pour les centrales géothermiques impliquées dans le projet. Le projet porte sur la récupération de l’énergie contenue dans les fluides géothermiques sous-terrain par injection de CO2. L’objectif est de disposer d’un modèle thermodynamique représentatif des sites d’exploitation. Ainsi des outils de simulations de procédés pourront être mis au point pour optimiser à la fois, la gestion durable de réservoirs géothermiques, la production d’électricité et les stratégies de réinjection. 

Nouveaux fluides de travail pour des machines thermiques

Le système de réfrigération le plus couramment employé est le cycle à compression de vapeur qui fonctionne avec un compresseur mécanique électrique et des hydrofluorocarbures (HFCs). Cette technologie contribue directement et indirectement au réchauffement climatique puisque les HFCs ont un potentiel de réchauffement climatique élevé. La contribution indirecte est due à la consommation d’électricité issue d’énergie fossile, pour la compression du fluide frigorigène.

Au laboratoire des recherches sont menées pour proposer de nouveaux fluides de travail capable soit de remplacer les HFCs dans les cycles à compression de vapeur soit être utilisés dans des procédés alternatifs à la compression mécanique. Afin de limiter l’impact environnemental de ces procédés, les fluides de travail proposé sont d’origine naturelle. Dans le cadre de l’ANR AWARE, des solvant biosourcés sont étudiés pour utilisés avec le CO2 dans un cycle à absorption de vapeur.

Développement de nouveaux solvants pour l’extraction de polluants

Personnels

Personnels permanents

Doctorants

Nom Position Support Dates
Alaa Hajlaoui Doctorante Thèse ANR AWARE Février 2022-...
Julian Castaneda Doctorant Thèse UCA octobre 2021 - ...
Fernando Hevia de los Mozos Doctorant (espagne) Stages courts, Thèse européenne sept-déc. 2017 et sept-déc. 2018


Etudiants/Stagiaires/Post-Doctorants/CDD

Nom Position Support Dates
Marc Cassièdes Post-Doc H2020 GEOPR0 01/04/2021 - 28/02/2022


Anciens Stagiaires/Post-Doctorants/CDD

Nom Position Support Dates Position Actuelle
Yohann Coulier Chercheur ANR SiModEx Mai 2018 - Aout 2018
Juzaimi, Nurhazwani Master of Science in Advanced Chemical Engineering AAP Emergence, i-Site CAP2025, Coll. Imperial College, Londres Juillet 2018
Yiyan ZHENG Elève Ingénieur, cycle Ingénieur Civil Stage de fin d’étude, coll. ICCF-CTP-Calnesis Juillet 2018
Giovanni Ramdani Master II AAP Emergence, i-Site CAP2025 janvier - Juillet 2018
Ryan Wilkins Master’s Student of Guelph, stage ANR SiModEx 1 Mai 2018 - 27 Juillet 2018
Johan Vigier Master I ANR SiModEx Avril - Juillet 2018
Alejandro Moreau CDD Chercheur Ademe Inv. Avenir VALORCO février 2015 - février 2016 Imperial College, London
Javier Mesones Mora CDD Chercheur Ademe Inv. Avenir VALORCO septembre 2014 - Aout 2015 URSA (resp. Qualité)
Clément Rico Master I ANR SiModEx, CALNESIS Avril - Juillet 2016
William Ravisy Master I ANR SiModEx Avril - Juillet 2017
Thomas Raynaud Master I fluides frigorifiques Avril - Juillet 2017
Lena Marty DUT Mesures Physiques Coll. R. Spontak Avril - Juin 2017


Docteurs

Nom Date de soutenance Financement Position actuelle
Olympe Longeras 4 décembre 2020 Thèse UCA ATER, Rouen
Fernando Hevia de los Mozos 2019 PROFESOR AYUDANTE DOCTOR , Univ. Valladolid, Espagne
Alexander Lowe 12 décembre 2016 ANR DACOOTA Post-Doctorant, Pologne
Barbara Liborio février 2017 ANR SIGARRR Process Expert, CAS Technology Center
Mickael Simond 27 novembre 2013 MESR Président, CALNESIS
Yohann Coulier 16 décembre 2011 FUI ACACIA Post-Doct à Université de Guelph, Guelph, ON, Canada, puis CDD Chercheur ICCF
Dimitrios Almantariotis 27 mai 2011 ADEME
Hugues Arcis 15 décembre 2008 MENSR Chercheur Associé à Université de Guelph, Guelph, ON, Canada

Compétences

Nos activités de recherche combinent des méthodes expérimentales originales et des outils de modélisation thermodynamique.

Grandeurs Thermodynamiques et physico-chimiques étudiées

  • Masses volumiques, Volumes molaires, d’excès, standards...
  • Enthalpies de dissolution d’un gaz dans une solution
  • Enthalpies de mélange liquide-liquide
  • Enthalpies de protonation
  • Capacités calorifiques massiques, molaires, d’excès, standards...
  • Température de séparation de phase liquide-liquide ou liquide-vapeur
  • Diagrammes de phase LL - SL - LV
  • Spéciation en solution

Méthodes expérimentales disponibles

  • Volumétrie : Densimètres à tubes vidrants permettant des mesures de -20°C à 400°C et de la pression atmosphérique à 400 bars.
  • Calorimétrie :
    • Calorimètres à balayage de température (DSC) pour la mesure des équilibres de phases (LL - SL - LV)
    • Micro-calorimètres à détection fluxmétrique pour des mesures d’enthalpies de mélange liquide-liquide ou liquide gaz.
    • MicroDSC pour la mesure des transitions de faible énergie et pour la détermination des capacités calorifiques de phases fluides.
    • Calorimètre Type Picker à compensation pour la mesure des capacités calorifiques jusqu’à 400°C et 400 bars.
  • Equilibre de phase : Cellule d’équilibre de phases pour la visualisation des séparations de phases LL ou LV, de l’ambiante à 125°C et jusqu’à 400 bars.
  • Spéciation : spectroscopie IR couplée microscopie; Mapping

Modélisation Thermodynamique

  • Modèles de coefficient d’activité semi-prédictifs (NRTL / UNIQUAC) et prédictif (UNIFAC)
  • Equations d’état cubiques (Peng-Robinson et Soave-Redlich-Kwong)
  • Simulation moléculaire (champs de force, prévision des propriétés dérivées de la fonction de gibbs)

Programmes et Projets

Programmes en cours de réalisation

  • 2016 - 2019 : ANR blanc International France-Canada : projet SiModEx

Comprendre les procédés de captage du CO2 : une combinaison de la simulation moléculaire réactive, des modèles thermodynamiques et des données expérimentales ; pour plus de détails, merci de voir la page SIMODEX dédiée à ce projet.

Influence d’un solvant physique sur les propriétés des amines démixantes.

  • 2013 - 2016 : ANR blanc International France-Canada : projet DACOOTA

"Demixing Amines for CO2 capture : Thermodynamic and Spectroscopic Approach"

  • 2014 - 2017 : ANR SEED : projet SIGARRR

Simulations de l’Impact des Gaz Annexes (SOx, NyOx, O2) co-injectés avec le CO2 lors de son stockage géologique) sur la Réactivité des Roches-Réservoirs
Vidéo de Mines-Paritech

  • 2014 - 2016 : Projet ADEME : LIS - VALORCO

Programme de recherche sur la réduction des émissions de CO2 appelé LIS pour « Low Impact Steelmaking », fabrication d’acier à faible impact, portant sur deux principaux volets de recherche : la réduction des émissions de CO2 grâce au recyclage des gaz de hauts-fourneaux (« TGRBF ») et la valorisation du CO2 (« Valorco »)

  • 2014 : collaboration de Recherche avec la société Émergente CALNESIS.

Collaborations - Partenariat

Collaborations académiques

  • Pr Christophe Coquelet, Dr Elise El Ahmar, CTP, Centre Thermodynamique des Procédés, MINES ParisTech’
  • Pr Peter Tremaine, Département de Chimie, Université de Guelph, Guelph, ON, Canada
  • Pr Pierre Cézac, Laboratoire Thermique Energétique et Procédés, Université de Pau et des pays de l’Adour

Collaborations Industrielles

  • Gas Liquids Engineerings, Calgary Canada
  • IFP Energies Nouvelles
  • SETARAM

Communication - Diffusion de l'information

Manifestations et diffusion de l’information par le groupe MAG :

2018

Communication invitée :

Calorimetric and densimetric data to help the simulation of the impact of annex gases co-injected with CO2 during its geological storage.
A. De los Mozos, K. Ballerat-Busserolles, B. Liborio, N. Nénot, Y. Coulier, and J-Y. Coxam, Acid Gas Injection Sympsium, AGIS VII, Calgary, 22-25 mai 2018.

2017

Communications orales :

Experimental developments and Calorimetric measurements on working fluids
K Ballerat-Busserolles, JY Coxam French-Japanese Workshop on working fluids, Paris, 14 décembre 2017

Thermodynamic approach of CO2-methanol mixtures for frigorific cycles : energetic and volumetric considerations
R Thomas, Y Coulier, K Ballerat-Busserolles, JY Coxam ; 7th International Workshop on Thermodynamic Engineering of Fluids, Tarragona, SPAIN, juillet 2017

SiModEx : a combination of reactive molecular Simulation, thermodynamic Modelling and Experiments for CO2 capture processes understanding. Y Coulier, B Elena, F Goujon, JY Coxam, B Kelly, W Qi, W Smith, K. Ballerat-Busserolles
29th ESAT, European Symposium on Applied Thermodynamics, Bucharest, Romania, juin 2017

Mesures d’enthalpies de mélange CO2-Réfrigérant, concept et résultats K Ballerat-Busserolles, JY Coxam Journées thématiques SFT-SFGP-GdR Thermodynamique,"Fluides de travail pour la production de froid", Paris, mars 2017.

Communications par affiche :

Détermination des diagrammes de phase solide-liquide de solutions aqueuses pour le CCS.
Y Coulier, JC Neyt, MR Simond, K Ballerat-Busserolles Journées thématiques SFGP-SCF-GdR Thermodynamique : Thermodynamique des équilibres entre phases, Clermont-Ferrand, 7-8 décembre 2017

Diagrammes de phase liquide-vapeur de corps purs et de mélanges par DSC : méthodologie et résultats.
R William, Y Coulier, JY Coxam, K Ballerat-Busserolles Journées thématiques SFGP-SCF-GdR Thermodynamique : Thermodynamique des équilibres entre phases, Clermont-Ferrand, 7-8 décembre 2017

Modelling and Experiments for CO2 capture processes understanding Y Coulier, R William, JY Coxam, K Ballerat-Busserolles CETCCUS, Cutting edge technology for Carbon Capture Utilization and Storage, Clermont-Ferrand, 24-27 septembre 2017

2016

Communications orales

LIQUID-LIQUID PHASE SEPARATION FOR MIXTURES CONTAINING DISSOLVED GASES, APPLICATION TO CARBON CAPTURE PROGRAMS
K. Ballerat-Busserolles Y. Coulier, A. Moreau, A. Lowe, J-Y. Coxam, 24th International Conference on Chemical Thermodynamics (ICCT-2016), 21-26 August 2016, Guilin, China

SOLID-LIQUID PHASE DIAGRAM OF UREA + CHOLINE CHLORIDE DEEP EUTECTIC SOLVENT AND IMPACT OF WATER ON THE MELTING TEMPERATURE
K. Ballerat-Busserolles, X. Meng, J-M. Andanson, P. Husson,24th International Conference on Chemical Thermodynamics (ICCT-2016), 21-26 August 2016, Guilin, China

CALORIMETRIC AND DENSIMETRIC MEASUREMENTS FOR MODELLING ELIMINATION OF CARBON DIOXIDE BY DISSOLUTION IN AQUEOUS SYSTEMS : DATA FOR GEOLOGICAL SEQUESTRATION
Barbara Liborio, Alejandro Moreau, Nicole Nénot, Karine Ballerat-Busserolles, Jean-Yves. Coxam,3rd international conference on thermophysical and mechanical properties of advanced materials (THERMAM), 1-3 September 2016, Izmir, Turkey

NEW AMINE BASED SOLVENTS FOR ACID GAS REMOVAL
Yohann COULIER, Elise EL AHMAR, Jean-Yves COXAM, Elise PROVOST , Didier DALMAZZONE, Patrice PARICAUD,Christophe COQUELET, Karine BALLERAT-BUSSEROLLES, 6th INTERNATIONAL ACID GAS INJECTION SYMPOSIUM (AGIS VI), 25-28 october 2016, Houston, TX, USA

LIQUID-LIQUID PHASE EQUILIBRIA OF DEMIXING AMINES FOR CARBON CAPTURE AND STORAGE
Alexander Lowe, Yohann Coulier, Karine Ballerat-Busserolles, Jean-Yves Coxam, 66th Canadian Chemical Engineering Conference, 16-19 october 2016, QUÉBEC CITY, QC, Canada

Affiches

LIQUID-LIQUID EQUILIBRIUMS IN AQUEOUS SOLUTIONS OF DEMIXING AMINES LOADED WITH GAS FOR CO2 CAPTURE PROCESSES.
Yohann Coulier, Alexander R. Lowe, J-Y. Coxam, Karine Ballerat-Busserolles, 14th International Conference on Properties and Phase Equilibria for Product and Process Design (PPEPPD), May 22-26, 2016, Porto, Portugal

2015

Communications orales

CALORIMETRY IN AQUEOUS SOLUTIONS OF DEMIXING AMINES FOR PROCESSES IN CO2 CAPTURE,
Karine Ballerat-Busserolles, Alexander R. Lowe, Yohann Coulier, J-Y. Coxam, 5th INTERNATIONAL ACID GAS INJECTION SYMPOSIUM (AGIS V), May 19th -22nd, 2015 Banff Alberta Canada

THERMODYNAMIC APPROACH OF CO2 CAPTURE, COMBINATION OF EXPERIMENTAL STUDY AND MODELING,
Karine Ballerat-Busserolles, Alexander R. Lowe, Yohann Coulier, J-Y. Coxam, 5th INTERNATIONAL ACID GAS INJECTION SYMPOSIUM (AGIS V), May 19th -22nd, 2015 Banff Alberta Canada

THERMODYNAMIC PROPERTIES FOR DISSOLUTION OF CO2 IN AQUEOUS AMINE SOLUTIONS,
Karine Ballerat-Busserolles, Alexander Lowe, Yohann Coulier, Mickaël R. Simond, Jean-Yves coxam, 28th European Symposium on Applied Thermodynamics, June 11th-14th 2015, Athens – Greece

MODELES THERMODYNAMIQUES POUR L’ABSORPTION DES GAZ DANS DES SOLUTIONS AQUEUSES,
J-Y. COXAM, Journée thématique SFGP GT Thermo « ad/ab-sorption de gaz : thermodynamique et procédés », 10/04/2015, Clermont-Ferrand, France

ETUDE DES DIAGRAMMES D’EQUILIBRE LIQUIDE-LIQUIDE DES AMINES DEMIXANTES POUR LE CAPTAGE DU CO2,
A. R. Lowe, Y. Coulier, J-Y. Coxam, K. Ballerat-Busserolles, 16E JOURNÉES FRANCOPHONES DES JEUNES PHYSICO-CHIMISTES(16 JFJPC), Playa de Aro-Gérone - Espagne

MESURE DES ENTHALPIES DE SOLUTION DU CO2 DANS LES SOLUTIONS AQUEUSES D’ALCANOLAMINES PRIMAIRES AUX TRES FAIBLES TAUX DE CHARGE,
J. Mesones, K. Ballerat-Busserolles and J-Y. Coxam, 16E JOURNÉES FRANCOPHONES DES JEUNES PHYSICO-CHIMISTES(16 JFJPC), Playa de Aro-Gérone - Espagne

Communications par affiche

AN EXPERIMENTAL THERMODYNAMIC STUDY OF CO2 CAPTURE USING CHEMICAL ABSORBENTS,
Y. Coulier, A. Lowe, M.R. Simond, K. Ballerat-Busserolles, J-Y. Coxam, Journée promotion procédés produits (J3P), « Du captage aux procédés de valorisation du CO2 », 26/03/2015, Nancy, France

LIQUID-LIQUID EQUILIBRIUMS IN AQUEOUS SOLUTIONS OF DEMIXING AMINES LOADED WITH GAS FOR CO2 CAPTURE PROCESSES,
Y. Coulier, A. Lowe, J-Y. Coxam, K. Ballerat-Busserolles, ECCE10 (10th European Congress of Chemical Engineering)+ECAB3+EPIC5, 27 sept – 1er oct., Nice, France

2014

Conferences invitees

THERMODYNAMIC PROPERTIES OF AQUEOUS SOLUTIONS : EXPERIMENTS AND APPLICATIONS TO GREENHOUSE GAS CAPTURE AND STORAGE,
K. Ballerat-Busserolles, 5th international seminar related with the Master on Engineering Thermodynamics of Fluids, Taragona, Espagne, 24 juillet 2014.

Communications orales

EXPERIMENTAL DETERMINATION AND MODELING OF ENTHALPY OF SOLUTION OF CARBON DIOXIDE IN AQUEOUS SOLUTIONS OF DEMIXING AMINES,
Y. Coulier, J. Mesones, A. Lowe, K. Ballerat-Busserolles, J-Y. Coxam, International Conference on Chemical Thermodynamics (ICCT), Durban (afrique du sud) 27/07-01/08 2014.

LIQUID-LIQUID EQUILIBRIUMS IN AQUEOUS SOLUTIONS OF DEMIXING AMINES : FROM VISUAL TECHNIQUES TO CALORIMETRIC DETERMINATIONS,
K. Ballerat-Busserolles, Y. Coulier, A. Lowe, J-Y. Coxam, 40èmes Journées d’Etude des Equilibres entre Phases, JEEP 2014, lyon 26-28 03 2014.

CALORIMETRIC EXPERIMENTS AND MOLECULAR SIMULATION : A NECESSARY COMBINATION TO UNDERSTANDING INTERACTIONS IN ALKANOLAMINE + WATER SYSTEMS
M. R. Simond, K. Ballerat-Busserolles, J-Y. Coxam, A.A.H. Padua, 45ème Journées de Calorimétrie et d’ Analyse Thermique, Rouen, 20 - 23 mai 2014.

CALORIMETRIC STUDIES FOR DEVELOPMENT OF CO2 CAPTURE AND STORAGE (CCS) PROCESSES
K. Ballerat-Busserolles, M. R. Simond, Y. Coulier, J-Y. Coxam, 45ème Journées de Calorimétrie et d’ Analyse Thermique, Rouen, 20 - 23 mai 2014.

MIXING CALORIMETRY IN AQUEOUS SOLUTIONS : ENERGETIC PROPERTIES FOR CCS CONCERNS
Karine Ballerat-Busserolles, Alexander R. Lowe, Barbara Liborio, Yohann Coulier, Mickael R. Simond, J-Y. Coxam ; 27th European conference on applied thermodynamics, Eindhoven, 6-9 juillet 2014.

INTERACTIONS IN ALKANOLAMINE + WATER SYSTEMS : COMBINATION OF MOLECULAR SIMULATION AND CALORIMETRIC EXPERIMENTS
M. R. Simond, K. Ballerat-Busserolles, J-Y. Coxam, A.A.H. Padua, 27th European conference on applied thermodynamics, Eindhoven, 6-9 juillet 2014.

Posters

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF SOLUTION ENTHALPIES AND SOLUBILITY OF CARBON DIOXIDE IN AQUEOUS SOLUTIONS FOR SEQUESTRATION IN DEEP AQUIFERS
B. Liborio, K. Ballerat-Busserolles, J-Y. Coxam, 20th Conferences on Thermophysical Properties, ECTP2014, Porto, Portugal, 31/08-04/09 2014.

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