Manufacturing of catalyst supports with controlled electrical resistivity for the electrification of catalytic processes

The global warming we have been witnessing for about 150 years is anomalous because it is triggered by humans and their activities, raising the amount of CO2 in the atmosphere to unprecedented levels. Renewable power plants will play a key role in the coming years. However, their penetration into the existing power grid is not easy due to their intermittent nature, but a solution can be implemented by relying on Power-to-X technologies that can provide excellent flexibility in terms of size and storage period while simultaneously being able to sequester and utilise CO2. In all of this, the electrification of chemical processes plays an important role in the utilisation of renewable energies, enabling the reduction of CO2 in endothermic catalytic processes and for the generation of environmentally friendly fuels and chemicals. Joule heating is so far the most promising technology for the direct conversion of electricity into heat in catalytic reactors. In order for the catalytic reactor to heat up electrically, the material of which it is made must have a high electrical resistance. To date, the material that has offered some of the best performance is SiSiC, which, however, presents certain problems, being difficult to replicate and mechanically unstable. The aim of this work was to find a possible alternative to SiSiC, namely porous steel obtained by selective laser melting. At first, an overview of the main direct electrification methods and their application is given, with a focus on the Joule effect heating method. The selective laser melting printing technique is then illustrated. The most important factors influencing the porosity of metal structures are examined and discussed at a fundamental level. On this basis, a strategy for the production of porous metal structures is developed. With this strategy, porosity of up to 60% and pore sizes in a wide range can be achieved. The results obtained and an overview of future applications are then presented.

Il riscaldamento globale a cui stiamo assistendo da circa 150 anni è anomalo perché innescato dall'uomo e dalle sue attività, portando la quantità di CO2 nell'atmosfera a livelli mai raggiunti prima. Le centrali elettriche rinnovabili giocheranno un ruolo fondamentale nei prossimi anni. Tuttavia, la loro penetrazione nella rete elettrica esistente non è facile a causa della loro natura intermittente, ma una soluzione può essere implementata affidandosi alle tecnologie Power-to-X che possono garantire un'eccellente flessibilità in termini di dimensioni e periodo di stoccaggio e contemporaneamente essere in grado di sequestrare e utilizzare la CO2. In tutto questo, l’elettrificazione dei processi chimici svolge un ruolo importante nell'utilizzo delle energie rinnovabili, consente la riduzione della CO2 nei processi catalitici endotermici e per la generazione di carburanti e prodotti chimici ecologici. Il riscaldamento Joule è finora la tecnologia più promettente per la conversione diretta dell'elettricità in calore nei reattori catalitici. Affinché il reattore catalitico possa riscaldarsi elettricamente , il materiale di cui è composto deve avere un’alta resistenza elettrica. Fino ad oggi il materiale che ha offerto prestazioni migliori è il SiSiC che però presenta due problemi principali: è di difficile replicabilità e meccanicamente instabile. L’obiettivo di questo lavoro è stato trovare una possibile alternativa al SiSiC, ovvero l’acciaio poroso ottenuto mediante la fusione laser selettiva. Viene fornita, in un primo momento, una panoramica dei principali metodi di elettrificazione diretta e della loro applicazione, con particolare attenzione al metodo di riscaldamento a effetto Joule. È poi illustrata la tecnica di stampa a fusione laser selettiva. I fattori più importanti che influenzano la porosità delle strutture metalliche sono esaminati e discussi a livello fondamentale. Su questa base, viene sviluppata una strategia per la produzione di strutture metalliche porose. Con questa strategia è possibile ottenere porosità fino al 60% e dimensioni dei pori in un'ampia gamma. Vengono poi illustrati i risultati ottenuti e una panoramica delle applicazioni future.