Modelagem e simulação da reforma a vapor de biogás com aquecimento eletrificado de espumas de célula aberta para produção de hidrogênio

Abstract

A descarbonização industrial e a oferta crescente de eletricidade renovável variável (VRE) têm favorecido a eletrificação de processos endotérmicos. Em paralelo, a produção e a purificação do biogás tornam este metano renovável mais acessível, porém em escala pequena e variável. A reforma a vapor convencional depende de grandes volumes, tem alta inércia térmica e partidas longas, o que a torna incompatível com biogás distribuído e com operação flexível. Este trabalho avalia, por modelagem, a viabilidade da reforma eletrificada do biogás por efeito Joule em espuma de célula aberta de carbeto de silício infiltrado com silício (SiSiC) revestida com catalisador, como rota descentralizada de hidrogênio e de valorização do biogás. Para tanto, desenvolveu-se um modelo unidimensional e transiente, pseudo- homogêneo em concentração e heterogêneo em temperatura, com balanços de massa e de energia para o gás, o sólido e a parede. O calor foi injetado no sistema de forma volumétrica e homogênea, a partir do efeito Joule resultante da passagem de uma corrente elétrica pelo suporte de catalisador. O sistema de equações diferenciais parciais foi resolvido pelo método das linhas com discretização axial pelo método das diferenças finitas. O sistema dinâmico de equações foi solucionado em Python, empregando-se o método BDF. O modelo foi validado, comparando-se com os resultados obtidos por Ambrosetti et al. (2021). As simulações indicaram a ocorrência de equilíbrio térmico local (LTE), com diferença de temperatura entre o suporte e o gás inferior a 3 °C. A etapa limitante migrou da transferência de calor para a cinética, limitações de materiais ou integração do processo. Quanto ao regime transiente, a partida a frio do sistema ocorreu entre 1,1 e 2,6 h, enquanto a resposta a perturbações se dá em questão de segundos, destacando a capacidade do reator a operar com carga flexível frente à intermitência das fontes renováveis e variabilidade do biogás.

Abstract: Industrial decarbonization and the growing supply of variable renewable electricity (VRE) have favored the electrification of endothermic processes. In parallel, biogas production and purification make this renewable methane more accessible, albeit at a small and variable scale. Conventional steam reforming relies on large throughputs, has high thermal inertia, and requires long start-up times, which makes it incompatible with distributed biogas and flexible operation. This work assesses, by modeling, the viability of electrified biogas reforming by Joule heating in catalyst-coated open-cell SiSiC foam, as a decentralized route to hydrogen and to biogas valorization. To that end, a one-dimensional transient model was developed, pseudo-homogeneous in concentration and heterogeneous in temperature, with mass and energy balances for the gas, the solid, and the wall. Heat was injected into the system in a volumetric and homogeneous manner, from the Joule effect resulting from the passage of an electric current through the catalyst support. The system of partial differential equations was discretized by the method of lines and solved in Python with the BDF method. The model was validated against Ambrosetti et al. (2021). The simulations indicated the occurrence of local thermal equilibrium (LTE), with a temperature difference between the support and the gas of less than 3 °C. The limiting step shifted from heat transfer to kinetics, material limitations, or process integration. As for the transient regime, cold start-up of the system took between 1.1 and 2.6 h, whereas the response to disturbances occurs in a matter of seconds, highlighting the reactorâ s ability to operate with flexible load in the face of renewable-source intermittency and biogas variability.