Techno-economic assessment of hydrogen production using pressure swing adsorption or membranes technologies

In this thesis, a techno-economic analysis is performed to compare the innovative membrane reactors with traditional systems for the production of hydrogen from biogas. This work is part of the European project BIONICO, whose purpose is to develop and test a membrane reactor for hydrogen production. Nowadays, the most used systems are steam reforming and autothermal reforming, which, however, are complex and formed by numerous components. On the other hand, the use of membranes allows to integrate in one component the selective conversion and separation of hydrogen from the rest of the gas, reducing costs respect to traditional systems. Two biogas were examined: one produced by landfill and the other one by anaerobic digester. Steam reforming (SR) and autothermal reforming (ATR) plants have been identified as benchmark for a comparison with the membrane reactors for hydrogen production. The purification unit present in the traditional plants has been studied and modeled in detail, using Aspen Adsorption. It is compared a pressure swing adsorption system (PSA) with two and four beds with a vacuum PSA (VPSA) made of four beds, which works at a pressure lower than the atmospheric one and thus increasing the recovery. The results of the simulations show that the performances strongly depend on the design choices and on the gas entering the system. The best purity and recovery values were obtained with the VPSA system, which achieves a recovery between 50 % and 60 % at a vacuum pressure of 0.1 bar and an hydrogen purity of 99.999 %. The two SR and ATR plants were configured in Aspen Plus, integrating the VPSA model studied, and analyzing the behavior of the systems at the variation of the pressure and the type of input biogas. The SR system achieves a maximum efficiency, calculated on the LHV, of 52 % at 12 bar, while the ATR of 28 % at 18 bar. Regarding the membrane reactors, the results provided by the BIONICO simulations show an efficiency of about 65 %. Finally, an economic analysis was carried out to compare the production costs of hydrogen from a traditional plant with those using a membrane reactor at equal delivery pressure. The reduction of the system components and the best efficiency of the membrane reactor make possible to produce hydrogen at a lower cost than the traditional, 4.926 €/kg versus 5.188 €/kg. At the end of the work, it was also made a comparison between the cost of hydrogen produced with this innovative system and the traditional fuels, pointing out that, although membrane technology allows cost savings compared to reference plants, its price remains still too high.

Nel presente lavoro di tesi viene eseguita un’analisi tecno-economica per confrontare le tecnologie commerciali per produzione di idrogeno da biogas con soluzioni innovative. Questo lavoro si inserisce all’interno del progetto europeo BIONICO, il cui scopo è quello di sviluppare e testare un reattore a membrana per la produzione di idrogeno. Attualmente, i sistemi più utilizzati sono gli impianti di steam reforming e autothermal reforming che risultano però essere complessi e formati da numerosi componenti. L’utilizzo delle membrane, invece, permette di integrare in un solo reattore la conversione e la separazione selettiva dell’idrogeno dal resto dei gas, riducendo i costi rispetto agli impianti tradizionali. Si sono esaminati due biogas: uno prodotto da discarica e l’altro da digestore anaerobico. Gli impianti di steam reforming (SR) e autothermal reforming (ATR) sono stati individuati come benchmark per un confronto con i reattori a membrana sulla produzione di idrogeno. È stata studiata e modellata in Aspen Adsorption, in modo dettagliato, l’unità di purificazione presente negli impianti tradizionali, confrontando un sistema pressure swing adsorption (PSA) a due e quattro letti e uno vacuum PSA (VPSA) a quattro letti, il quale beneficia dell’utilizzo di una pressione inferiore a quella atmosferica per aumentare la recovery. I risultati delle simulazioni mostrano che le prestazioni sono fortemente dipendenti dalla scelte progettuali e dalla composizione del gas in ingresso al sistema. I valori migliori di purezza e recovery sono stati ottenuti con il sistema VPSA, il quale raggiunge recovery tra il 50 % e il 60 % ad una pressione di vuoto di 0.1 bar e una purezza dell’idrogeno del 99.999 %. Sono stati configurati i due impianti di SR e ATR in Aspen Plus integrando il modello del VPSA studiato e si è analizzato il comportamento dei sistemi al variare della pressione e della tipologia di biogas in ingresso. L’impianto di SR raggiunge una massima efficienza, calcolata sull’LHV, del 52 % a 12 bar, mentre quello di ATR del 28 % a 18 bar. Per quanto riguarda i reattori a membrana, i risultati forniti dalle simulazioni del BIONICO mostrano un’efficienza attorno al 65 %. Si è infine eseguita un’analisi economica per comparare i costi di produzione dell’idrogeno da impianto tradizionale con quelli da impianto che utilizza un reattore a membrana, a pari pressione di delivery. La riduzione dei componenti dell’impianto e la migliore efficienza del reattore a membrana permettono di produrre idrogeno ad un costo inferiore rispetto ai tradizionali, 4.926 €/kg contro 5.188 €/kg. Alla fine del lavoro si è anche eseguito un confronto tra il costo dell’idrogeno così prodotto con quello dei combustibili tradizionali evidenziando che, sebbene la tecnologia delle membrane permette una riduzione dei costi rispetto agli impianti di riferimento, il suo prezzo rimane comunque ancora troppo elevato.