Poste de doctorat sur l’emballement thermique dans la production d’e-biocarburants H/F

Description du Poste

Sujet De Thèse

Durée : 3 ans (à partir d’octobre-novembre 2026)
Encadrants : Sébastien Leveneur (sebastien.leveneur@ircelyon.univ-lyon1.fr)
Co-encadrant : Guillaume Fayet (guillaume.fayet@ineris.fr)
Lieu : IRCELYON & INERIS
Mots-clés : Modélisation cinétique, calorimétrie, emballement thermique
Cette thèse sera réalisée dans le cadre du projet e-BioFuels. Ce projet vise à développer des voies de production optimisées pour les e-biocarburants en intégrant la conversion de la biomasse avec de l’électricité bas-carbone. Il combine une modélisation multi-échelle et des expériences ciblées afin de mieux comprendre et optimiser l’ensemble de la chaîne de valeur, depuis les procédés catalytiques jusqu’aux systèmes industriels.
Les e-biocarburants sont des carburants hybrides produits en combinant du carbone issu de la biomasse avec de l’hydrogène bas-carbone et de l’électricité. Le carbone provient généralement de biomasse lignocellulosique (comme le bois ou les résidus agricoles), qui est convertie en gaz de synthèse, tandis que l’hydrogène est généré par électrolyse de l’eau alimentée par de l’électricité renouvelable ou bas-carbone [1]. Cette combinaison permet d’atteindre une conversion du carbone et une efficacité énergétique supérieures à celles des biocarburants conventionnels, faisant des e-biocarburants une solution prometteuse pour la production de carburants durables dans des secteurs difficiles à décarboner tels que l’aviation et le transport maritime. Cependant, leur déploiement à grande échelle fait face à plusieurs défis, notamment des coûts de production élevés, une forte dépendance aux prix de l’électricité et à son intensité carbone, une disponibilité limitée de la biomasse, ainsi que la complexité technologique liée à l’intégration de multiples étapes de procédé. De plus, leur performance environnementale dépend d’analyses complètes du cycle de vie, notamment en ce qui concerne les chaînes d’approvisionnement en biomasse et le mix électrique utilisé.
La production d’e-biocarburants implique une succession de réactions thermochimiques, électrochimiques et catalytiques, dont plusieurs sont fortement exothermiques et jouent un rôle clé dans la conception des procédés. Après la gazéification de la biomasse et la production d’hydrogène par électrolyse, le gaz de synthèse est converti en carburants via des réactions de synthèse catalytique. Les étapes les plus exothermiques sont la synthèse de Fischer–Tropsch (formation d’hydrocarbures à partir de CO et H₂) et la méthanation (production de CH₄), toutes deux libérant de grandes quantités de chaleur en raison de la formation de liaisons stables C–C et C–H. La synthèse du méthanol est également exothermique [2], bien que dans une moindre mesure. La gestion de la chaleur dégagée par ces réactions exothermiques est cruciale, car elle influence fortement la conception des réacteurs, la stabilité des catalyseurs et l’efficacité énergétique globale, et peut être valorisée et intégrée dans le procédé pour améliorer les performances du système. Par exemple, l’emballement thermique des réactions exothermiques constitue un risque majeur en matière de sécurité dans l’industrie chimique, représentant près de 25 % des accidents [3]. L’emballement thermique survient lorsque la production de chaleur dépasse son évacuation, entraînant une augmentation incontrôlée de la température. Des dérives telles qu’une perte de refroidissement, des variations de composition de l’alimentation ou une désactivation du catalyseur peuvent conduire à des scénarios d’emballement thermique, aussi bien dans des réacteurs discontinus que continus.
À l’échelle du laboratoire, les études d’emballement thermique sont généralement réalisées en conditions batch ou semi-batch, avec de faibles masses réactionnelles et des conditions idéalisées de transfert de chaleur et de matière. Cependant, des lacunes méthodologiques subsistent pour transposer les indicateurs d’emballement thermique obtenus à l’échelle du laboratoire vers des réacteurs continus d’e-biocarburants fonctionnant dans des conditions représentatives de l’industrie, où les limitations d’évacuation de chaleur, l’inertie thermique et les dérives de procédé jouent un rôle critique. Comment proposer une approche multi-échelle pour évaluer le risque d’emballement thermique dans la production d’e-biocarburants ? Le principal défi scientifique consiste donc à développer une méthodologie multi-échelle, orientée vers la sécurité, permettant d’évaluer, de prédire et de prévenir l’emballement thermique dans les procédés continus d’e-biocarburants, en reliant explicitement les données calorimétriques de laboratoire, la modélisation cinétique et les phénomènes de transfert de chaleur et de matière à l’échelle des réacteurs.
Le doctorant recruté dans le cadre du projet e-BioFuels devra :
• Identifier et hiérarchiser les réactions exothermiques critiques tout au long de la chaîne de valeur des e-biocarburants (en se basant sur l’enthalpie de réaction, la cinétique, les conditions opératoires et la sensibilité aux dérives de procédé), en interaction avec les différents partenaires du projet e-BioFuels.
• Concevoir et réaliser des expériences calorimétriques (DSC, ARC, RC1) (afin d’extraire des paramètres pertinents pour la sécurité tels que les vitesses de dégagement de chaleur, les températures d’initiation, l’élévation adiabatique de température et les indicateurs de temps avant emballement).
• Développer des modèles cinétiques, incluant des scénarios d’emballement [4] (en prenant explicitement en compte les incertitudes et les limites d’extrapolation lors de leur application au-delà de l’échelle laboratoire).
• Intégrer ces modèles dans des cadres multiphysiques (à l’échelle du réacteur) (en tenant compte des limitations réalistes de transfert de chaleur et de matière ainsi que des scénarios potentiels de perte de contrôle).
• Définir des domaines opératoires sûrs pour les procédés continus à travers une analyse systématique des dérives de procédé (par exemple défaillance du refroidissement, perturbations de la composition de l’alimentation) et de leur impact sur la stabilité thermique, en régime transitoire comme en régime stationnaire.
L’accent sera mis sur le développement de méthodologies transférables à d’autres procédés catalytiques fortement exothermiques pertinents pour les e-carburants.

Références:
1. De Chambost et al., From biofuels to e-fuels: an assessment of technoeconomic and environmental performance, Sustainable Energy Fuels, 2026, 10, 905–919. DOI https://doi.org/10.1039/D5SE00786K
2. Portha et al., Kinetics of Methanol Synthesis from Carbon Dioxide Hydrogenation over Copper–Zinc Oxide Catalysts, nd. Eng. Chem. Res. 2017, 56, 45, 13133–13145. DOI: 10.1021/acs.iecr.7b01323
3. A. Dakkoune, L. Vernieres-Hassimi, S. Leveneur, D. Lefebvre, L. Estel, Analysis of thermal runaway events in French chemical industry, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 62 (2019) 103938. https://doi.org/10.1016/j.jlp.2019.103938
4. Y. Wang, L. Vernières-Hassimi, V. Casson-Moreno, J.-P. Hébert, S. Leveneur, Thermal risk assessment of levulinic acid hydrogenation to γ-valerolactone, Organic Process Research & Development, 22(9) (2018) 1092-1100. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00122

🎓 Ce que vous allez acquérir
• Travail au sein d’un consortium diversifié (CEA, IFPEN, INERIS, CNRS, etc.)
• Exposition à des experts en sécurité des procédés (INERIS) : le doctorant e-BioFuels travaillera à l’INERIS avec un accès à des installations dédiées à la sécurité industrielle ; expertise en analyse des risques (HAZOP, QRA) ; lien avec des scénarios réels d’accidents
• Exposition à des experts en catalyse et en modélisation cinétique (IRCELYON) : mise en œuvre de l’une des premières approches multi-échelles de l’emballement thermique appliquée aux e-biocarburants ; lien entre calorimétrie → réacteur → échelle procédé ; application à des systèmes continus (rares et complexes)
• Un accueil partagé entre l’IRCELYON (environ 70 %) et l’INERIS (30 %) offrira l’opportunité de travailler à la fois dans des laboratoires de recherche académiques et non académiques.
Résultats attendus
• Une méthodologie multi-échelle structurée, validée sur des études de cas représentatives
• Des publications dans des revues à fort impact
• Une participation à des conférences internationales
• Un environnement de formation interdisciplinaire
• Basé à Lyon — largement considérée comme la capitale gastronomique de la France — ce poste offre à la fois une excellence scientifique et un cadre de vie dynamique

 
Profil recherché :
• Master en génie chimique (ou attestation provisoire) OU master en chimie avec de solides connaissances en génie des réactions chimiques (ou attestation provisoire)
• Expérience en travail expérimental et solides compétences en analyse
• Un intérêt pour la sécurité des procédés et l’analyse des risques sera considéré comme un atout majeur
• Le candidat doit posséder de bonnes connaissances en modélisation cinétique
• Maîtrise de l’anglais
• Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet e-BioFuels. Ainsi, le doctorant devra également être ouvert à d’autres activités scientifiques, telles que l’automatique et les méthodes DFT.

 
Candidature et informations complémentaires :
Les candidats doivent déposer un curriculum vitae détaillé, ainsi qu’un document PDF unique regroupant : une lettre de motivation, les relevés de notes (Licence et Master), ainsi que tout autre document pertinent (lettres de recommandation, certificats de langue et de diplôme, distinctions, etc.).

Votre Environnement de Travail

Le doctorant sera accueilli à IRCELYON (UMR 5256 CNRS – Université Claude Bernard Lyon 1), situé sur le campus LyonTech-La Doua à Villeurbanne. Le laboratoire regroupe plus de 80 permanents et une cinquantaine de doctorants, et développe des recherches de pointe en catalyse, génie des procédés et chimie de l’environnement.

Il intégrera l’équipe ATARI, spécialisée en modélisation cinétique, calorimétrie et analyse thermodynamique des réactions.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est de 2300,00 € brut mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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