Techno-economic analysis of innovative systems for hydrogen production from natural gas with Pd-Ag membranes and polymeric membranes

In this work an innovative system of hydrogen production from natural gas with membranes separators is presented. Starting from a conventional steam methane reforming system, the hydrogen is separated thanks Pd-Ag membranes. Moreover, the retentate stream is sent to a polymeric membrane for the CO2 separation. In this way, it is possible to separate H2 and CO2 without the PSA and MDEA unit. The CO2 rich stream can be sent to the carbon capture and storage system. To respect the IEA target of 90% of carbon capture ratio of the plant and a CO2-purity more than 95% of the final stream, a cryogenic system has been added. Scope of the work is to propose a possible layout for the hydrogen production and CO2 storage system from natural gas, trying to limit the big costs and the high penalties on the efficiency that the capture of CO2 involves. Two different layouts for the hydrogen membrane are proposed: with and without sweep-gas. An evaluation of the performances of two plants and an economic analysis will be done in order to estimate their economic feasibility by determining the cost of hydrogen production. The Bottom Up Approach methodology is followed to calculate the Total Equipment Cost of the plant. Since the uncertainty on the cost and lifetime of hydrogen membranes, a sensitivity analysis, varying the reference membrane cost, is carried out. A comparison with the conventional processes of hydrogen production with and without CO2 capture is proposed in order to estimate if the membranes integration plant can compete with the traditional plant present in the literature.

In questo lavoro è presentato un Sistema innovativo di produzione di idrogeno da gas naturale con membrane separatrici. A partire da un tradizionale steam methane reforming system, l’idrogeno viene separato grazie alle membrane Pd-Ag. Inoltre, il flusso retentato è mandato alla membrana polimerica per la separazione di CO2. In questo modo, è possibile separare H2 e CO2 senza il PSA e senza l’unità MDEA. Il flusso ricco di CO2 è pronto per essere mandato al sistema di cattura e stoccaggio della CO2. Per poter rispettare il target IEA del 90% di cattura di CO2 nell’impianto e una purezza di CO2 maggiore del 95% del flusso finale, deve essere aggiunto un sistema criogenico. Scopo del lavoro è proporre un possibile layout per la produzione di idrogeno e sistema di stoccaggio di CO2, tentando di limitare gli elevati costi e le alte penalità sull’efficienza che implica la cattura di CO2. Vengono proposti quindi due differenti layout per la membrana a idrogeno: con e senza sweep-gas. Verrà effettuata una stima delle performance dei due impianti e una analisi economica al fine di valutare la fattibilità economica determinando il costo di produzione dell’idrogeno. L’approccio metodologico seguito per il calcolo del costo totale di impianto è il Bottom Up Approach. Data l’incertezza dei costi e della vita utile della membrana a idrogeno, è stata sviluppata una analisi della sensitività, variando il costo di riferimento della membrana. E’ così proposto un confronto con i processi convenzionali di produzione di idrogeno con e senza cattura di CO2 al fine di stimare se l’impianto di integrazione delle membrane possa competere con gli impianti tradizionali presenti in letteratura.