Hydrogen production from biogas using fluidized bed membrane reactors : modeling and experimental validation of the reactor and system techno-economic assessment

With the “green hydrogen production” getting a foothold, a lot of research is being carried out to improve these processes based on renewable energy sources. In particular, the concept of Fluidized Bed Membrane Reactor, is gaining interest due to its higher efficiency and potential in costs reduction. This type of reactor allows to integrate hydrogen production through steam reforming and separation in a single vessel, avoiding additional separation units. In this context, this work focuses on the modeling and experimental validation of a FBMR for decentralized production of hydrogen from biogas, heading to investigate the influence of different biogas compositions and of concentration polarization on the steam reforming process. A previously existing model of a FBMR has been extended, adding the effects of concentration polarization according to the film layer model, studying the influence of several working conditions on the boundary layer thickness. The model has been then validated against the experimental results, obtained in a lab-scale reactor at Eindhoven University of Technology, both for concentration polarization and for biogas steam reforming. Afterwards, a techno-economic assessment has been carried out, to deeply understand the costs and benefits of this technology compared to a conventional steam reforming and autothermal reforming process, using two different biogas compositions. A sensitivity analysis of the effects of the boundary layer thickness and of the cost of biogas on the total cost of hydrogen has been included. What can be concluded from the conducted analysis is that biogas steam reforming in a FBMR appears to be a feasible and promising technology that can lead to a less fossil-fuel based future for the production of hydrogen. The biogas fed to the system must be carefully chosen, and a low CO2/CH4 ratio should be preferred to have higher efficiencies and lower costs. Concentration polarization has a substantial influence on the reactor performances and on the membrane area needed. Nevertheless, in order for this technology to be commercially competitive, further studies must be carried out, in particular, since concentration polarization appear to have major effects on the system efficiency and costs, a further analysis of its characteristics and behavior should be a priority of the future studies.

Nel contesto di “green hydrogen production”, molti progetti di ricerca sono concentrati sul miglioramento di processi basati su fonti di energia rinnovabili. In particolare l'interesse nei confronti del concetto di reattore a letto fluido con membrana (FBMR) sta aumentando a causa della sua maggiore efficienza e potenziale riduzione dei costi. Questo tipo di reattore, infatti, consente di integrare la produzione di idrogeno attraverso lo steam reforming e la sua separazione in un singolo recipiente, evitando ulteriori unità di separazione. In questo contesto, questo progetto si concentra sulla modellazione e sulla validazione sperimentale di un FBMR per la produzione decentrata di idrogeno da biogas, con lo scopo di indagare l'influenza delle diverse composizioni di biogas e della concentration polarization sul processo di steam reforming. Un modello precedentemente esistente di un reattore a letto fluido con membrana è stato esteso, aggiungendo gli effetti della concentration polarization secondo il modello film layer, studiando l'influenza di diverse condizioni operative sullo spessore dello strato limite. Il modello è stato quindi validato attraverso dei risultati sperimentali ottenuti in un reattore di laboratorio presso l'University of Technology di Eindhoven, sia riguardo la concentration polarization sia per il processo di biogas steam reforming. Successivamente è stata condotta una valutazione tecnico-economica per indagare i costi e i vantaggi di questa tecnologia rispetto a un processo di steam reforming convenzionale e di autothermal reforming, utilizzando due diverse composizioni di biogas. È stata inclusa un'analisi di sensibilità degli effetti dello spessore di strato limite e del costo del biogas sul costo totale dell'idrogeno. Ciò che si può concludere dall'analisi condotta è che il biogas steam reforming in un FBMR appare essere una tecnologia fattibile e promettente che può portare ad un futuro meno dipendente da combustibili fossili per la produzione di idrogeno. Il biogas utilizato in questo processo deve essere scelto con attenzione e un rapporto di CO2/CH4 basso dovrebbe essere preferito per avere maggiori efficienze e costi inferiori. La concentration polarization ha un'influenza notevole sulle prestazioni del reattore e sulla superficie di membrana necessaria. Tuttavia, affinché questa tecnologia sia competitiva sul mercato, occorrono ulteriori studi mirati e, dal momento che la concentration polarization sembra avere grandi effetti sull'efficienza e sui costi del sistema, un'ulteriore analisi delle sue caratteristiche e comportamenti dovrebbe essere una priorità degli studi futuri.