LA1.1.19 – Sviluppo di un processo di Steam Reforming elettrico

Attività

La Linea di Attività LA1.1.19 è dedicata allo sviluppo e alla validazione di tecnologie innovative per lo steam reforming elettrificato del metano (eSMR), con l’obiettivo di contribuire alla decarbonizzazione dei processi di produzione dell’idrogeno attraverso l’elettrificazione della fornitura di calore al reattore.

Lo steam reforming è un processo fortemente endotermico e richiede elevate quantità di energia termica, tradizionalmente fornite mediante la combustione di gas naturale in fornaci esterne al reattore. L’approccio sviluppato nell’ambito della LA1.1.19 mira a sostituire, in tutto o in parte, la generazione di calore mediante combustione con sistemi di riscaldamento elettrico, potenzialmente alimentati da energia proveniente da fonti rinnovabili. L’elettrificazione consente quindi di eliminare o ridurre le emissioni associate alla combustione utilizzata per il riscaldamento del reformer e, allo stesso tempo, di aumentare la flessibilità del processo rispetto alla disponibilità di energia elettrica rinnovabile.

L’attività di ricerca ha riguardato lo sviluppo di differenti architetture di reattore eSMR, operanti sia ad alta temperatura (eSMR-HT, >750 °C) sia a temperature inferiori (eSMR-LT, <600 °C), con particolare attenzione all’intensificazione degli scambi termici e di materia, alla distribuzione uniforme della temperatura e all’integrazione tra funzione catalitica e riscaldamento elettrico.

Una parte significativa della ricerca è stata dedicata allo sviluppo di strutture catalitiche elettrificabili, nelle quali l’energia elettrica viene trasformata direttamente in calore in prossimità della zona di reazione. Sono stati studiati differenti approcci, tra cui il passaggio diretto di corrente attraverso strutture monolitiche elettricamente conduttive e la modifica di supporti catalitici mediante rivestimenti conduttivi. Tali configurazioni sono finalizzate a migliorare il trasferimento di calore verso il catalizzatore, ridurre le resistenze termiche tipiche dei reformer convenzionali e rendere il sistema più compatto e rapidamente controllabile.

Parallelamente è stata studiata l’integrazione del reattore con sistemi di accumulo termico (TES – Thermal Energy Storage). L’accumulo di energia sotto forma di calore può consentire di disaccoppiare, almeno parzialmente, la disponibilità istantanea di energia elettrica dalla richiesta termica del processo, permettendo di valorizzare l’elettricità rinnovabile nei periodi di elevata produzione, basso costo o curtailment. Per le configurazioni eSMR ad alta temperatura sono stati analizzati, in particolare, materiali a cambiamento di fase (PCM – Phase Change Materials) compatibili con le temperature operative del processo.

Per le configurazioni operanti a temperatura più bassa è stata inoltre considerata l’integrazione con membrane selettive per l’idrogeno, con l’obiettivo di combinare reazione e separazione dell’H₂ e favorire l’intensificazione del processo.

Le attività sperimentali, svolte presso i laboratori H2V, comprendono la progettazione, la realizzazione e la caratterizzazione di prototipi di reformer elettrificati alimentati con miscele gassose rappresentative del biometano. I test sono finalizzati alla valutazione della conversione del metano, della produttività di idrogeno, dell’efficienza energetica, della distribuzione delle temperature e della stabilità dei materiali e dei componenti nelle diverse condizioni operative.

Lo sviluppo sperimentale ha portato alla realizzazione di un primo prototipo di reattore eSMR ad alta temperatura capace di produrre fino a circa 1 Nm³/h di idrogeno, costituendo una piattaforma per la successiva ottimizzazione delle configurazioni di reattore, dei sistemi catalitici elettrificati e dell’integrazione con l’accumulo termico. Nel complesso, la ricerca mira a definire una tecnologia eSMR modulare, flessibile e integrabile con le fonti energetiche rinnovabili, in grado di ridurre il ricorso alla combustione per l’apporto termico al processo e di favorire una produzione di idrogeno a minore impronta carbonica, in particolare quando associata all’utilizzo di biometano.

Risultati

• Progettazione e sviluppo di diverse configurazioni di reattori eSMR.
  A partire dalla definizione dei primi layout di reattori monotubolari per steam reforming elettrificato, operanti sia ad alta temperatura (eSMR-HT, >750 °C) sia a più bassa temperatura (eSMR-LT, <600 °C), sono state sviluppate e progressivamente ottimizzate diverse configurazioni sperimentali. Le differenti versioni hanno riguardato, in particolare, la geometria del reattore, i materiali costruttivi, le modalità di riscaldamento e i sistemi di alimentazione elettrica, fino alla realizzazione della configurazione prototipale attualmente utilizzata per le attività sperimentali.
• Sviluppo e caratterizzazione di sistemi di elettrificazione diretta della struttura catalitica.
  Sono stati studiati e sperimentati differenti approcci per la generazione diretta del calore all’interno o in prossimità della zona cataliticamente attiva, mediante il passaggio di corrente attraverso strutture monolitiche elettricamente conduttive e attraverso la modifica di supporti mediante rivestimenti metallici conduttivi. Sono state valutate differenti combinazioni di materiali, configurazioni elettriche e modalità di alimentazione, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza del trasferimento di calore, l’uniformità della temperatura e la stabilità del sistema nelle condizioni operative di steam reforming.
• Studio, sviluppo e integrazione di sistemi di accumulo termico ad alta temperatura.
  Sono stati analizzati diversi materiali e sistemi di accumulo termico (TES – Thermal Energy Storage) per l’integrazione con reattori eSMR-HT. L’attività ha compreso la caratterizzazione delle proprietà termiche, la selezione e formulazione di differenti miscele, lo studio della stabilità alle temperature operative e la valutazione della compatibilità dei materiali di accumulo con i materiali costruttivi del sistema. Particolare attenzione è stata dedicata alle miscele di carbonati impiegabili come materiali a cambiamento di fase (PCM – Phase Change Materials), approfondendo anche i fenomeni di corrosione indotti dai sali fusi sui materiali metallici di contenimento e di scambio termico. Sulla base dei risultati ottenuti è stato inoltre progettato e realizzato un sistema TES integrato coassialmente con un reattore SMR catalitico, finalizzato allo studio sperimentale dell’accumulo e del rilascio di calore direttamente accoppiati al processo di steam reforming.
• Sviluppo della linea sperimentale per membrane selettive all’idrogeno.
  Per le configurazioni eSMR-LT sono state studiate membrane permeabili all’idrogeno, incluse strutture multistrato a base di palladio e niobio. È stato inoltre progettato e realizzato un primo impianto sperimentale per lo studio delle membrane in condizioni controllate, le cui attività hanno consentito di definire i requisiti operativi e le linee guida per la progettazione di un cabinet pressurizzato dedicato al testing delle membrane, attualmente in fase di realizzazione.
• Realizzazione e sperimentazione del prototipo eSMR-HT.
  Il percorso di progettazione, sviluppo e progressiva ottimizzazione delle differenti configurazioni ha portato alla realizzazione di un prototipo di reattore eSMR ad alta temperatura in grado di raggiungere una produzione di idrogeno fino a circa 1 Nm³/h. Il prototipo rappresenta la configurazione più avanzata sviluppata nell’ambito della Linea di Attività ed è attualmente utilizzato per le campagne sperimentali finalizzate alla valutazione delle prestazioni di processo, del comportamento termico ed elettrico, della conversione del metano, della produzione di idrogeno e della stabilità del sistema in differenti condizioni operative.

In collaborazione con:

Il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Salerno (prof. Vincenzo Palma)
Consorzio CALEF (https://consorziocalef.it)

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