Joule heated catalytic reactor for biogas and CO2 valorization

Climate change is a serious threat for our planet and urgent actions to tackle this problem are needed. Carbon dioxide emissions are reckoned as the main responsible of this situation and renewable power plants will play a key role in the next years. However, their penetration in the existing electric network is not straightforward due to their intermittent nature but a solution can be implemented relying on energy storage technologies. Among these, Power-to-X is the one that can guarantee excellent flexibility in terms of size and storage period and, at the same time, can also provide CO2 sequestration and utilization. The goal of this work consists in studying a novel typology of electrified reactor for the valorisation of biogas and CO2 from sequestration. This configuration aims at producing hydrogen and syngas exploiting heat originated via Joule effect in a reactor that contains a SiSiC open-cell foam that acts as resistive element and is made catalytically active thanks to a wash-coat of Rh-based catalyst. The results showed impressive values in terms of conversions and productivity that place this technology in an interesting position among the different solutions for hydrogen production. The context in which this set-up could find an application is described in the introduction where an overview of the current energy scenarios and future trends is described. In this section several other studies are reported to give a comparison with other research activities on this topic which is of increasing interest. The second chapter provides a series of information regarding the equipment and methodology used for the experiments and a description of the analysed parameters. Chapters 3, 4 and 5 contain the results of dry reforming, biogas steam reforming and reverse water gas shift campaigns. Different conditions of temperature, gas hourly space velocities and compositions were investigated to assess the performances of the system.

I cambiamenti climatici sono una grave minaccia per il nostro pianeta e sono necessarie azioni urgenti per affrontare il problema. Le emissioni di anidride carbonica sono considerate le principali responsabili di questa situazione e gli impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili giocheranno un ruolo fondamentale nei prossimi anni. Tuttavia, la loro penetrazione nella rete elettrica esistente non è semplice a causa della loro natura intermittente, ma una soluzione può essere implementata affidandosi alle tecnologie di accumulo dell'energia. Tra queste, Power-to-X è un’alternativa che può garantire un'eccellente flessibilità in termini di dimensioni, periodo di stoccaggio e, allo stesso tempo, può anche fornire il sequestro e l'utilizzo della CO2. L'obiettivo di questo lavoro consiste nello studio di una nuova tipologia di reattore elettrificato per la valorizzazione di biogas e CO2 sequestrata. Questa configurazione mira a produrre idrogeno e syngas sfruttando il calore originato per effetto Joule in un reattore contenente una schiuma di SiSiC a celle aperte che funge da elemento resistivo ed è resa cataliticamente attiva grazie a un wash-coat di catalizzatore a base di Rh. I risultati hanno mostrato valori promettenti in termini di conversioni e produttività che collocano questa tecnologia in una posizione interessante tra le diverse soluzioni per la produzione di idrogeno. Il contesto in cui questo impianto potrebbe trovare applicazione è descritto nell'introduzione, in cui viene presentata una panoramica degli attuali scenari energetici e delle tendenze future. In questa sezione sono riportati diversi altri studi per fornire un confronto con le altre attività di ricerca su questo tema di crescente interesse. Il secondo capitolo fornisce una serie di informazioni sull'attrezzatura e la metodologia utilizzata per gli esperimenti e una descrizione dei parametri analizzati. I capitoli 3, 4 e 5 contengono i risultati delle campagne di biogas steam reforming, dry reforming e reverse water gas shift. Sono state analizzate diverse condizioni di temperatura, velocità orarie e composizioni del gas per valutare la capacità del sistema di funzionare in tali condizioni.