Produzione di gas di sintesi e idrogeno ad alta purezza dal reforming di CH4
SPECIALE IDROGENO. Produzione di gas di sintesi e idrogeno ad alta purezza e purezza dal reforming di CH4 in due fasi e dalla scissione di H2O attraverso il ciclo isotermico Ceria Redox utilizzando la luce solare
#Idrogeno, #reforming, #metano
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Introduzione
Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO2 nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili.
Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO2 è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata.
E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO2 entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile.
Il processo di riformazione del metano a vapore (SMR) è considerato un'opzione praticabile per soddisfare la crescente domanda di idrogeno, principalmente a causa della sua capacità di produzione di massa di idrogeno e della maturità della tecnologia.
Lo steam reforming del metano è un processo ben sviluppato ed altamente commercializzato e attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno mondiale. La ricerca si sta impegnando a rendere questo processo, per quanto possibile, sostenibile e meno inquinante.
Steam reforming
Lo steam reforming del metano è un processo ben sviluppato ed altamente commercializzato e attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno mondiale.
Lo steam methane reforming (SMR) è un processo in cui il metano del gas naturale viene riscaldato, con vapore, solitamente con un catalizzatore, per produrre una miscela di monossido di carbonio e idrogeno utilizzata nella sintesi organica e come combustibile. Nell'energia, l'SMR è il processo più utilizzato per la generazione di idrogeno
Il prodotto risultante è syngas (H2 + CO), quindi viene applicata la reazione di spostamento del gas d'acqua per convertire la CO prodotta in H2 e CO2 , contribuendo così alle emissioni di gas serra. La reazione è endotermica, richiedendo l'apporto di calore al processo per reazioni nell'intervallo di temperatura 700–1.000°C
Steam reforming convenzionale :
CH4+H2O →3H2+ CO
In alternativa, l'ossidazione parziale del metano può essere fatto attraverso il ciclo redox dell'ossido di metallo, il reforming chimico del metano, CLRM.
Chemical reforming del metano
La reazione di reforming chimico comprende due fasi:
(1) ossidazione parziale endotermica del metano insieme alla riduzione dell'ossido di metallo per produrre syngas pulito
(2) riossidazione esotermica dell'ossido con vapore (o CO2) per produrre H2 ad alta purezza ( o CO).
I prodotti netti di CLRM sono gli stessi di quelli dello steam reforming tradizionale. L’ossido metallico funziona da “serbatoio di elettroni”.
Tra ossidi che meglio si prestano a tale funzione sono gli ossidi di cerio oppure soluzioni solide a base di ossido di cerio.
La ceria o biossido di cerio (CeO2) è un noto componente importante per il controllo delle emissioni automobilistiche (catalizzatore “a tre vie”) e per altre applicazioni ambientali ed energetiche, principalmente per la sua proprietà intrinseca di immagazzinamento dell'ossigeno; ricevere ossigeno in condizioni di gas ossidante e rilasciare ossigeno in condizioni di gas riducente.
Il comportamento di riduzione/ossidazione del CeO2 è facilitato dalla presenza di droganti come Zr4+, La3+ e altri cationi di metalli delle terre rare. Inoltre, la stabilità termica dell’ossido di cerio migliora notevolmente se nella struttura cristallina viene introdotto Zr4+ o altri cationi di metalli delle terre rare.
L'energia solare può essere utilizzata per sostenere la reazione di reforming. La riduzione della ceria è accoppiata all'ossidazione parziale del metano (fase di riduzione) e la produzione di H2 accoppiata alla reazione di ossidazione. L'energia solare concentrata viene utilizzata come fonte di calore di processo per guidare la reazione endotermica durante la fase di riduzione e anche per mantenere la temperatura durante la fase di ossidazione per il ciclo isotermico a 1.000°C.
Ciclo redox a due fasi con riduzione della ceria accoppiata all'ossidazione parziale del metano (fase di riduzione) e scissione di H2O durante la reazione di ossidazione (fase di ossidazione). (credit: Chuayboon)
Vlaic, G., Di Monte, R., Fornasiero, P., Fonda, E., Kašpar, J., & Graziani, M. (1999). Redox Property–Local Structure Relationships in the Rh-Loaded CeO2–ZrO2Mixed Oxides. Journal of Catalysis, 182(2), 378-389.
Chuayboon S. et al., High-Purity and Clean Syngas and Hydrogen Production From Two-Step CH4 Reforming and H2O Splitting Through Isothermal Ceria Redox Cycle Using Concentrated Sunlight, Front. Energy Res., 17 July 2020, Sec. Hydrogen Storage and Production, Volume 8 – 2020 | https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.00128
 Idrogeno da combustibili fossili, steam reforming |
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