Joule heated catalytic reactor for Steam Methane Reforming and Sorption Enhanced Reforming

Climate change represents one of the most significant challenges planet Earth is facing, requiring urgent actions to mitigate the risk of catastrophic consequences. The main causes of this phenomenon are associated to anthropogenic activities, which imply the consumption of fossil fuels and the emission of carbon dioxide. Together with other gases, this creates the so-called “greenhouse effect”, which is the cause of global warming. In order to reduce the consumption of fossil fuels, alternative energy sources, known as renewables, are being sought, which include wind, solar and hydroelectric energy. Unfortunately, renewable energies are intermittent and seasonal, making them difficult to store. To overcome this issue, in recent years, different strategies have been proposed and Power to-X is one of them. This concept consists in storing energy in the form of hydrogen and/or other chemicals which are produced exploiting electricity surplus. Among the different production pathways for hydrogen synthesis, electrified Steam Methane Reforming is expected to play a key role in this scenario and will be the focus of this thesis. The electrified methane steam reforming reactor studied in this work relies on a porous SiSiC open cell foam that acts as a resistive element. The heat generated by this structure heats up the system up to 800 [°C] enabling the conversion of methane into hydrogen. In the present work, an extensive experimental campaign has been devoted to study the performance of this system in a packed foam configuration where the ceramic porous structure was packed with Rh-based pellet catalysts. In addition to that, a wash-coated foam with an alternative catalyst formulation was also tested. Furthermore, the same production process has been investigated using a Rh-based pellet catalyst with addition of calcium carbonate as a sorbent for in situ capturing the produced carbon dioxide in a single process step, i.e. the so-called Sorption Enhanced Reforming (SER). This process allows for an increase in the purity of the produced hydrogen and for simultaneous capture of CO2 enabling blue hydrogen production. Electrification of SER has been demonstrated for the first time in this thesis work.

Il cambiamento climatico rappresenta una delle maggiori problematiche per il pianeta Terra, per tale ragione è necessario intervenire il prima possibile per mitigare il rischio di conseguenze catastrofiche. Tale fenomeno è principalmente antropogenico ed è causato dal consumo di combustibili fossili, da cui la genesi di anidride carbonica che, insieme ad altri gas, genera sul pianeta il così detto “effetto serra”, causa del surriscaldamento climatico. Al fine di ridurre il consumo di combustibili fossili si cercano fonti energetiche alternative chiamate rinnovabili che consistono nell’energia eolica, solare ed idroelettrica. Purtroppo, le energie rinnovabili sono intermittenti e stagionali che le rendono difficilmente accumulabili. Per ovviare a questo problema, negli ultimi anni diverse strategie sono state proposte, tra cui il Power to-X. Questa metodologia permette di accumulare energia sottoforma di idrogeno e/o altri prodotti chimici. Tra le varie vie di produzione per la sintesi dell'idrogeno, lo Steam Methane Reforming elettrificato è destinato a svolgere un ruolo chiave in questo scenario e sarà il fulcro di questa tesi. Il reattore elettrificato di steam reforming preso in esame si basa su una di SiSiC che agisce come elemento resistivo. Il calore generato da questa struttura riscalda il sistema fino a 800 [°C] consentendo la conversione del metano in idrogeno. In questa tesi è stata dedicata un’ampia campagna sperimentale allo studio delle prestazioni di questo sistema in una configurazione a schiuma impaccata, in cui la struttura porosa in ceramica è stata riempita con catalizzatore in pellet a base di rodio. In aggiunta, è stata testata una schiuma alternativa con catalizzatore wash-coat di Ni-Ru. Inoltre, è stato investigato il medesimo processo produttivo, con catalizzatore in pellet a base di Rh, con aggiunta di carbonato di calcio come sorbente per la cattura dell’anidride carbonica prodotta nel medesimo stadio, realizzando il cosiddetto Sorption Enhanced Reforming (SER). Tale processo permette di aumentare la purezza dell’idrogeno prodotto con simultanea cattura della CO2 consentendo la produzione di “blue hydrogen”. L’elettrificazione del SER è stata investigata per la prima volta in questo lavoro di tesi.