PyroPHyL – Pyrolyse de Plastiques en Hydrogène pour l'eFueL : Conception et optimisation d'une unité pilote de production d'hydrogène par pyrolyse de déchets // PyroPHyL – Pyrolysis of Plastics to Produce Hydrogen for eFueL: Design and Optimization of a P

Produire de l'hydrogène industriel repose aujourd'hui à plus de 95 % sur le gaz naturel (« hydrogène gris »), émettant environ 9 à 10 kg de CO2 par kg d'H2. En parallèle, plus de 27 Mt de déchets plastiques sont générés chaque année en Europe, encore largement enfouis ou incinérés alors qu'ils constituent une ressource carbone. Red Clay Bio Food développe des procédés de pyrolyse pour transformer ces déchets en hydrogène décarboné, destiné à l'hydrotraitement des huiles de pyrolyse de pneus usagés : une boucle doublement vertueuse qui valorise deux gisements de déchets en carburants de qualité, sans recourir à l'énergie fossile.
La voie privilégiée associe une pyrolyse à un reformage catalytique, à partir d'un mélange complexe d'hydrocarbures, sur catalyseurs Ni/Al2O3 [1,2]. Le verrou consiste à maîtriser le couplage entre transferts de chaleur et de masse, cinétiques de dégradation thermique et réactions de reformage, et préservation de l'activité catalytique, ainsi que l'optimisation des rendements et l'intensification du procédé couplé, autant de phénomènes qui appellent une modélisation prédictive pour passer de l'échelle de laboratoire à l'échelle industrielle [3-5].
PyroPHyL vise à modéliser et optimiser la production d'hydrogène par pyrolyse de déchets plastiques couplée à un reformage catalytique, afin d'établir les lois de pilotage du futur réacteur industriel de Red Clay Bio Food.

Les travaux sont organisés en trois axes mêlant étroitement simulation et expérimentation :
Axe 1 (mois 1 à 12) : Modélisation multiphysique sous ASPEN Plus. Modèle couplant bilans de matières, transferts de chaleur et de masse, écoulement, cinétiques chimiques (pyrolyse et réactions de reformage), intégrant la dégradation de l'activité catalytique et la distribution des produits (H2, CO, CO2, CH4) [1,4].
Axe 2 (mois 13 à 24) : Validation expérimentale. Caractérisation des intrants et des produits (ATG/ATD/DSC, surface BET, analyse élémentaire, GC-MS, DRX, MEB-EDX), conception d'un banc d'essais de validation et confrontation systématique du modèle aux mesures.
Axe 3 (mois 25 à 36) : Optimisation & dimensionnement. Outil prédictif reliant paramètres opératoires et performances (rendement, pureté, coût énergétique avec ASPEN Plus® et SuperPro Designer®, et empreinte carbone avec SimaPro®), optimisation multi-objectifs et dimensionnement du démonstrateur industriel.

Les travaux seront principalement réalisés au sein de l'iTheMM, spécialisé dans les domaines de la mécanique, la thermique et l'énergétique, et les sciences des matériaux. Il dispose d'un accès aux moyens d'analyses et de caractérisation (ATG/ATD/DSC, Surface BET, analyse élémentaire, GC-MS, DRX, MEB-EDX, etc.), regroupés au sein de la plateforme URCATECH. L'équipe du Pr. Randrianalisoa est spécialisée dans la modélisation multiphysique et la caractérisation thermophysique multi-échelle [5], la pyrolyse [4,6] couplée au reformage catalytique [7,8], ainsi que leurs applications à la valorisation de déchets plastiques en hydrogène [6,9,10], compétences au cœur du sujet. Red Clay Bio Food apporte l'ancrage applicatif, les données industrielles et la perspective de déploiement, le financement de la réalisation du banc d'essais, avec un encadrement orienté résultats.
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Today, more than 95% of industrial hydrogen production relies on natural gas, generating approximately 9–10 kg of CO₂ per kg of H₂ produced. At the same time, more than 27 Mt of plastic waste is generated annually in Europe, most of which is still landfilled or incinerated despite representing a valuable carbon resource. Red Clay Bio Food is developing innovative pyrolysis-based processes to convert plastic waste into low-carbon H2, intended for the hydrothermal treatment of pyrolysis oils derived from end-of-life tires. This approach creates a double circular economy pathway by valorizing two waste streams into high-quality fuels without relying on fossil energy sources.
The selected process combines plastic waste pyrolysis with catalytic reforming of a complex hydrocarbon mixture over Ni/Al₂O₃ catalysts [1,2]. The main scientific challenge lies in understanding and controlling the coupling between heat and mass transfer phenomena, thermal degradation kinetics, reforming reactions, catalyst deactivation mechanisms, process intensification, and hydrogen yield optimization. These interconnected phenomena require predictive modeling tools capable of supporting the scale-up from laboratory to industrial operation [3–5].
The PyroPHyL project aims to model and optimize hydrogen production from plastic waste pyrolysis coupled with catalytic reforming to support the design of Red Clay Bio Food's future industrial reactor. The research program combines modeling and experimentation through three work packages:
WP1 (Months 1–12): Multiphysics Modeling
Development of an ASPEN Plus® model integrating mass and energy balances, heat and mass transfer, fluid flow, pyrolysis and reforming kinetics, and product distribution (H₂, CO, CO₂, CH₄) to predict reactor performance.
WP2 (Months 13–24): Experimental Validation
Characterization of feedstocks, catalysts, and products using advanced analytical techniques (TGA/DSC, BET, elemental analysis, GC-MS, XRD, SEM-EDS), combined with the design and operation of a dedicated validation test bench.
WP3 (Months 25–36): Optimization and Scale-Up
Development of a predictive tool linking operating conditions to hydrogen yield, purity, energy efficiency, economics, and environmental performance. Multi-objective optimization will support the design and sizing of an industrial demonstration unit.

The PhD candidate will primarily conduct research at iTheMM, a research laboratory of URCA specializing in thermal sciences, energy systems, mechanics, and materials science. The laboratory provides access to a wide range of state-of-the-art characterization facilities through the URCATECH platform, including: TGA/DTA/DSC, BET surface area analysis, Elemental analysis, GC-MS, XRD, SEM. Prof. Randrianalisoa's group has strong expertise in Multiphysics modeling and multiscale thermophysical characterization [5], Pyrolysis processes [4,6] combined with Catalytic reforming [7,8], Hydrogen production from plastic waste valorization [6,9,10]. These research competencies are directly aligned with the scientific objectives of the project. Red Clay Bio Food contributes the industrial perspective, operational data, and deployment strategy necessary for technology transfer and commercialization. The company will also support the development of the experimental validation platform and provide application-driven supervision focused on industrial impact and implementation.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Cifre

CIFRE ANRT

Université de Reims Champagne - Ardenne

620 MPSNI - Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur

Profil et compétences recherchés : Diplôme d'ingénieur ou Master 2 (Bac+5) en sciences de l'ingénieur, énergétique, génie des procédés, procédés thermochimiques ou génie chimique. Compétences attendues : • Solides bases en transferts de chaleur et de masse, thermodynamique et cinétique chimique. • Modélisation et simulation de procédés thermochimiques (bilans d'énergie et de matières, cinétiques, réacteurs) via ASPEN Plus® ou équivalent ; programmation scientifique (Python, MATLAB). • Notions en catalyse hétérogène et goût marqué pour le travail expérimental (instrumentation, campagnes d'essais). • Bonne communication scientifique en français et en anglais. Atouts appréciés : caractérisation de matériaux (DRX, MEB, ATG/DSC)analyse de gaz (GC-MS), modélisation avec les logiciels Aspen Plus®, SuperPro Designer® et/ou SimaPro®, connaissance des procédés de pyrolyse/reformage, science des données..
Profile and required skills: Engineering degree or Master's degree in Energy, Process Engineering, Thermochemical Processes, Chemical Engineering, or a related field. • Strong background in heat and mass transfer, thermodynamics, and chemical reaction engineering. • Experience in the modeling and simulation of thermochemical processes, including mass and energy balances, reaction kinetics, and reactor modeling, using ASPEN Plus® (or equivalent software). • Proficiency in scientific programming and data analysis tools such as Python and/or MATLAB. • Basic knowledge of heterogeneous catalysis and a strong interest in experimental research, including instrumentation, test-bench operation, and experimental campaigns. • Ability to work at the interface between modeling and experimentation. • Excellent analytical and problem-solving skills, with a high degree of autonomy and scientific rigor. • Strong written and oral communication skills in both French and English. Desirable qualifications: materials characterization (XRD, SEM, ATG/DSC), gas analysis (GC-MS), process modeling with Aspen Plus®, SuperPro Designer®, and/or SimaPro® software, knowledge of pyrolysis/reforming processes, and data science.