Catalytic hydrogen combustion for low-temperature power production: numerical and experimental analysis of the technology and development of a residential-scale catalytic water heater

Hydrogen is a versatile energy carrier with a crucial role for energy transition. The possibility to produce thermal power avoiding emissions is particularly interesting. Catalytic hydrogen combustion enables the complete avoidance of nitrogen oxides as byproduct and can also process mixtures out of flammability limits in inherently safe systems. In this context, this work deals with the analysis of catalytic hydrogen combustion as a technology to produce thermal power with net-zero emissions. A catalytic combustor is investigated in detail and a process to apply the technology in a water heater for residential applications is developed. The investigation of the combustor involves a numerical and experimental analysis. It entails the numerical modeling of the catalytic combustor and the subsequent validation with direct measurements. Indeed, experimental analysis involves local measurements of the temperature of the catalytic surface inside a Pt- and Pd-based monolith with 400 cells per square inch. Additionally, the fuel conversion achieved by the unit is measured. The results show superadiabatic temperature peaks not representing a threat to the catalyst durability if operating with an inlet hydrogen fraction lower than 3%, with a measured maximum temperature of 692 K. The same condition produces an adiabatic combustion temperature of 543 K and a hydrogen conversion higher than 99%. Ultimately, the combustor can be operated with ultralean mixtures achieving quick ignition and complete conversion. Catalytic hydrogen combustion is applicable to residential heating providing net-zero emissions and inherently safe operation. The development of an innovative process for the application of the technology to a water heater includes its numerical modeling for the evaluation of the performances and the subsequent experimental evaluation of the process with a full-scale prototype. The prototype produces the operational modes of a water heater. The process developed achieves an experimentally measured efficiency of 102.68% (referred to the Lower Heating Value) producing a thermal power of 25 kW, with an overall fuel conversion of 99.6%. The performances obtained enable the direct comparison of the catalytic system with a flame-powered one, while keeping the advantages of the combustion of ultralean mixtures. The catalytic monolith can also process lean flammable mixtures. This implies the conversion of the fuel both over the catalytic surface and in the gas phase of the monolith. This operational condition is numerically analyzed with a detailed reaction mechanism for the gas phase combustion, including the subsets for the production of nitrogen oxides. The analysis highlights the increase of the superadiabatic surface temperature peak, although partly mitigated by the gas phase reactions. Moreover, it indicates the absence of nitrogen oxides at the outlet of the monolith.

L'idrogeno è un vettore energetico versatile con un ruolo cruciale nella transizione energetica. La possibilità di produrre energia termica evitando le emissioni è particolarmente interessante. La combustione catalitica dell'idrogeno consente di evitare completamente gli ossidi di azoto come sottoprodotto e può anche trattare miscele al di fuori dei limiti di infiammabilità in sistemi intrinsecamente sicuri. In questo contesto, questo lavoro si occupa dell'analisi della combustione catalitica dell'idrogeno come tecnologia per produrre energia termica con emissioni nette pari a zero. Viene inoltre studiato in dettaglio un combustore catalitico e viene sviluppato un processo per applicare la tecnologia in uno scaldabagno per applicazioni residenziali. L'analisi del combustore include un'analisi numerica e sperimentale. Comprende la modellazione numerica del combustore catalitico e la successiva validazione con misurazioni dirette. Infatti, l'analisi sperimentale prevede misurazioni locali della temperatura della superficie catalitica all'interno di un monolite a base di Pt e Pd con 400 celle per pollice quadrato. Inoltre, viene misurata la conversione del combustibile raggiunta dall'unità. I risultati mostrano picchi di temperatura superadiabatica che non rappresentano una minaccia per la durata del catalizzatore se si opera con una frazione di idrogeno in ingresso inferiore al 3%, con una temperatura massima misurata di 692 K. La stessa condizione produce una temperatura di combustione adiabatica di 543 K e una conversione dell'idrogeno superiore al 99%. In definitiva, il combustore può essere operato con miscele ultrapoverti ottenendo un'accensione rapida e una conversione completa. La combustione catalitica dell'idrogeno è applicabile al riscaldamento residenziale fornendo emissioni zero e un funzionamento intrinsecamente sicuro. Lo sviluppo di un processo innovativo per l'applicazione della tecnologia a uno scaldabagno include la sua modellazione numerica per la valutazione delle prestazioni e la successiva valutazione sperimentale del processo con un prototipo a grandezza naturale. Il prototipo produce le modalità operative di uno scaldabagno. Il processo sviluppato raggiunge un'efficienza misurata sperimentalmente del 102.68% (riferita al potere calorifico inferiore) producendo una potenza termica di 25 kW, con una conversione complessiva del combustibile del 99.6%. Le prestazioni ottenute consentono il confronto diretto del sistema catalitico con uno alimentato a fiamma, mantenendo i vantaggi della combustione di miscele ultrapovere. Il monolita catalitico può anche trattare miscele infiammabili povere. Ciò implica la conversione del combustibile sia sulla superficie catalitica che nella fase gassosa del monolita. Questa condizione operativa è analizzata numericamente con un meccanismo di reazione dettagliato per la combustione in fase gassosa, inclusi i sottogruppi per la produzione di ossidi di azoto. L'analisi evidenzia l'aumento del picco di temperatura superadiabatica della superficie, sebbene in parte mitigato dalle reazioni in fase gassosa. Inoltre, indica l'assenza di ossidi di azoto all'uscita del monolita.