Kinetic modeling of CO2 methanation over a Ni-Al coprecipitated catalyst

Power-to-Gas technology is leading the transition to a zero emissions scenario, introducing as a valid option for CO2 utilization its hydrogenation to create methane, a very well known fuel that already has well-developed infrastructures all over the world through which it can transported and consumed. Carbon dioxide methanation turns the most deleterious greenhouse gas present in our atmosphere into a chemical commodity that we can exploit for our everyday life. Many studies have been conducted and, though the process is for the most part still at laboratory scale, some commercial-scale plants are active in the world and for a better realization of the industrial plants of tomorrow there is a strong need for detailed models describing the kinetic of the process. In this work, after an overview of the Power-to-Gas field and the analysis of reaction mechanisms and catalysts studied for the process up to now, a review of kinetic models proposed in literature is performed. The most interesting ones were then evaluated on our experimental dataset and model modifications were introduced for a best fitting. Finally, we developed on our own two kinetic models, that in their final version are able to fit the data very well in all the experimental field. All the models were divided depending on their ability to describe only CO2 conversion or both carbon dioxide conversion and CO selectivity.

La tecnologia Power-to-Gas sta guidando la transizione verso uno scenario a emissioni zero, introducendo come valida opzione per l’utilizzo di CO2 la sua idrogenazione a creare metano, un combustibile molto noto che ha già infrastrutture ben sviluppate in tutto il mondo attraverso il quale può essere trasportato e consumato. La metanazione dell’anidride carbonica trasforma il gas serra più dannoso presente nella nostra atmosfera in un prodotto chimico che possiamo sfruttare per la nostra vita quotidiana. Sono stati condotti molti studi e, sebbene il processo sia per la maggior parte ancora su scala di laboratorio, alcuni impianti su scala commerciale sono attivi nel mondo e per una migliore realizzazione degli impianti industriali di domani c’è una forte necessità di modelli dettagliati che descrivano la cinetica del processo. In questo lavoro, dopo una panoramica sul campo Power-to-Gas e l’analisi dei meccanismi di reazione e dei catalizzatori studiati per il processo fino ad ora, viene eseguita una revisione dei modelli cinetici proposti in letteratura. I più interessanti sono stati poi valutati sul nostro dataset sperimentale e sono state introdotte modifiche ai modelli per un miglior adattamento. Infine, abbiamo sviluppato in proprio due modelli cinetici, che nella loro versione finale sono in grado di predire molto bene i dati in tutto il campo sperimentale. Tutti i modelli sono stati divisi in base alla loro capacità di descrivere solo la conversione di CO2 o sia la conversione dell’anidride carbonica che la selettività a CO.