Ammonia cracking for production of clean hydrogen: kinetic investigation, experimental testing and modelling of a new reactor configuration.

In recent decades, climate change has highlighted the need to shift away from traditional fuels and reduce CO2 emissions, positioning hydrogen as a key player in the energy transition. Hydrogen is primarily produced through Steam Methane Reforming, but emerging technologies like water electrolysis and biomass gasification are gaining traction. One major challenge is hydrogen’s low volumetric density, making its transport difficult. A potential solution is chemical storage, using a hydrogen-rich molecule that can be transported as a liquid and easily converted back to hydrogen. Ammonia is a promising option due to its well-established synthesis and straightforward transport. Through thermocatalytic cracking, ammonia can be decomposed into hydrogen and nitrogen (2NH3 → 3H2 + N2), with the main technical hurdle being the development of efficient catalysts and reactor technologies for the cracking process. This thesis presents a kinetic study of a commercial ruthenium-based catalyst (2 wt% on alumina) from Heraeus®, suitable for low-temperature ammonia decomposition up to about 550 °C. The kinetics were investigated in a dedicated reactor, with the catalyst loaded into thermally conductive structures to enhance heat transfer and minimize temperature gradients. The catalyst was tested under different operating conditions, including temperature, pressure, gas hourly space velocity (GHSV), and co-feeds of H2, N2, and Ar with NH3. The same catalyst was also tested in a packed foam reactor heated by the Joule effect, using electrodes applied to a silicon carbide foam packed with embedded catalyst particles. This reactor is called Direct Joule Heated reactor; this setup was experimentally tested across different conditions: our study shows that it provides efficient heat transfer to the catalyst. A mathematical model was developed and validated based on the experimental data, allowing for predictions of the reactor behaviour beyond the tested conditions.

Negli ultimi decenni, il cambiamento climatico ha evidenziato la necessità di ridurre le emissioni di CO2, rendendo l'idrogeno un elemento chiave nella transizione energetica. Oggi, l'idrogeno è prodotto principalmente tramite Steam Methane Reforming, ma tecnologie emergenti come l'elettrolisi dell'acqua e la gassificazione della biomassa stanno guadagnando importanza. Una sfida è la bassa densità volumetrica dell'idrogeno, che ne rende difficile il trasporto. Una possibile soluzione è lo stoccaggio chimico, impiegando una molecola ricca di idrogeno, trasportabile in forma liquida e facilmente riconvertibile in idrogeno. L'ammoniaca è una delle opzioni più promettenti grazie alla sua sintesi industriale consolidata e al semplice trasporto. Attraverso il cracking termocatalitico, l'ammoniaca si decompone in idrogeno e azoto (2NH3 → 3H2 + N2); la sfida principale è sviluppare catalizzatori efficienti e tecnologie per reattori adatte al processo. Questa tesi presenta uno studio cinetico della decomposizione di ammonica su un catalizzatore commerciale a base di rutenio (2 wt% su allumina, Heraeus®), adatto alla decomposizione a bassa temperatura fino a 550 °C. La cinetica è stata testata in un reattore dedicato, con il catalizzatore inserito in strutture termicamente conduttive per migliorare il trasferimento di calore e ridurre i gradienti di temperatura. Il catalizzatore è stato testato in varie condizioni operative, tra cui temperatura, pressione, gas hourly space velocity (GHSV) e co-alimentazioni di H2, N2 e Ar con NH3. Lo stesso catalizzatore è stato successivamente testato in un reattore a schiuma impaccata riscaldato per effetto Joule, utilizzando elettrodi su una schiuma di carburo di silicio con particelle di catalizzatore incorporate all’interno. Questo reattore è chiamato Direct Joule Heated reactor; esso fornisce un trasferimento di calore efficiente al catalizzatore ed è stato testato sperimentalmente in diverse condizioni. Infine, un modello matematico basato sui dati sperimentali per prevedere il comportamento del reattore oltre le condizioni testate è stato sviluppato e validato.