Analisi numerica di reattori elettrificati per il reforming catalitico di metano

In the current energy context, marked by a growing incidence of non-dispatchable renewable energy sources, we need to increasingly rely on the research and development of thermochemical processes that can properly use electrical energy to generate globally-used fuels and chemicals with low environmental impact. In particular, hydrogen can be considered as an alternative energy source or as the starting element for the synthesis of liquid fuels. The aim of this work is therefore to develop and implement an analytical-numerical model able to simulate the performance of an electrified steam methane reforming reactor where input electrical energy is converted into heat by the Joule effect, unlike conventional reforming which is heated by methan combustion. The reactors for the production of hydrogen that are proposed in this dissertation have been designed within the scope of process intensification and, in fact, are based on open-cell foams structured catalysts (washcoated foam or packed foam). The silicon carbide solid foam is the thermal resistance of the system that allows thermal power generation from input electrical energy. For this reason, unlike in more conventional reforming solutions, the reactor has to be thermically insulated from the outside since heat is generated internally. In addition to this, the use of structured catalysts conveys a more efficient heat transfer than the one generated through packed-bed traditional reformers. In this context, this work is intended to design the prototype of a compact reactor for a widespread and decentralised hydrogen generation. This reactor, proposed in a tubular form, will be modelled and simulated in two different scales. The lab-scale model is necessary by the need to understand under which structured catalyst configuration it is more convenient to operate the reactor (packed-foam or washcoated-foam). Moreover, this small laboratory scale model will be useful for the validation with experimental data. The next step will be to design a pilot/demo scale reactor, more suited to respond to the needs of production potentials in a real packed-foam reaction plant. Based on the results collected it can be stated that this innovative technology hydrogen production from reneweable sources brings substantial advantages over reforming method (including a potential CO2 emissions reduction). Furthermore, this device needs to a lower power electrical density than the required with comparable solutions like electrolyzers. The model proposed is therefore expected to be an excellent starting point for a future experimental and, subsequently, real implementation of a steam methane reforming reactor with the scope of process intensification.

Nel merito del contesto energetico attuale, caratterizzato da una sempre crescente incidenza delle fonti rinnovabili non programmabili, occorre far sempre più affidamento sulla ricerca e sviluppo di processi termo-chimici che possano adeguatamente impiegare l’energia elettrica per la generazione di combustibili e chemicals a basso impatto ambientale. In particolare, l’idrogeno puo’ essere considerato come fonte energetica alternativa o come elemento di partenza per la sintesi di combuistibili liquidi. In tal senso, in questo Lavoro ci si propone di sviluppare ed implementare un modello analitico-numerico in grado di simulare le prestazioni di un reattore di steam methane reforming elettrificato in cui l’energia elettrica in ingresso viene convertita in calore per effetto Joule, a differenza del reforming convenzionale riscaldato dalla combustione di un flusso di metano. I moduli di processo per la produzione di idrogeno proposti in questa Tesi sono pensati in un contesto di process intensification e, di fatto, sono basati su catalizzatori strutturati open-cell foams (washcoated-foam o packed-foam). La schiuma solida, in carburo di silicio, è essa stessa la resistenza termica che permette la generazione di potenza utile dall’energia elettrica in ingresso. In aggiunta, l’utilizzo dei catalizzatori strutturati permette un più efficace scambio termico se confrontato alle unità di reforming tradizionali a letto impaccato. In questo senso, si vuole definire e modellare il prototipo di un reattore compatto adibito alla generazione diffusa e decentralizzata di idrogeno. Tale reattore tubolare, sarà configurato e simulato su due diverse scale impiantistiche. Simulazioni riguardanti il modello lab-scale sono necessarie per comprendere con quale configurazione di catalizzatore strutturato risulti più adatto esercire questa tecnologia ibrida di reattori. La modellazione su questa piccola scala di impianto sarà inoltre importante ai fini di una successiva validazione sperimentale del modello. In seguito, verrà poi modellato un reattore in scala pilot/demo sulla configurazione packed-foam, più vicino a quelle che sono le esigenze effettive di potenzialità produttiva di un impianto reale. Sulla base dei risultati ottenuti, si può affermare che questa tecnologia innovativa per la produzione di idrogeno da rinnovabile presenta alcuni vantaggi sostanziali rispetto al reforming convenzionale (anche in termini di una potenziale riduzione dell’emissione di CO2) e, in aggiunta, richiede una densità di potenza elettrica più bassa rispetto a soluzioni di scala comparabile come gli elettrolizzatori. Pertanto, il modello proposto si candida ad essere un ottimo punto di partenza per un futuro implemento sperimentale e successivamente reale di reattore steam methane reforming per l’intensificazione di processo.