Coupling of membrane reactor and electrolyzer for green hydrogen production: carbon neutral and carbon negative solutions

Membrane reactors could support the tremendous growing low-carbon hydrogen production required in the future years. The core of this thesis is a green hydrogen producing plant from biogas through autothermal reforming (ATR) in fluidized bed membrane reactor. The first goal has been to quantify the performance improvement by switching oxidizing agent, from air to oxygen; secondly, to perform techno-economic analysis of different coupling solutions between ATR plant and PEM electrolyzer, to produce oxygen in situ. The results have been compared to air-fed benchmark case LCOH, to understand if an economic convenience of feeding oxygen, instead of air, is achieved. A comparison between oxygen-fed case and air-fed case, at same operative conditions, but at different membranes number, have been performed. Results provide an increase in HRF from 68.29% to 71.39% and an increase of system efficiency from 60.25% to 65.42%. Different coupling solutions of PEM-ATR plant have been assessed: on-grid, on-grid assisted by PV field, on-grid assisted by PV field and Li-ion battery system and off-grid. In off-grid case the plant is powered by PV field and by a battery pack, with an oxygen tank installed to decouple oxygen production and consumption. When oxygen is fed, from retentate flue gas, after water separation, a rich-CO2 stream is obtained. Two scenarios have been detailed: the first considers selling CO2 at ambient conditions (worthing 35 €/tonCO2), while, in the second, CO2 is injected into a pipeline (worthing 50 €/tonCO2), obtaining a carbon-negative plant. Lowest LCOHs have been achieved when PEM-ATR plant is powered by the grid and assisted by PV field, with values equal to 4.82 €/kgH2 (if CO2 is sold at ambient condition) and equal to 4.86 €/kgH2 (carbon-negative plant case), that are lower or very close to air-feeding benchmark LCOH, which is equal to 4.83 €/kgH2 when it is assisted by a PV field. Thus, the feasibility and the techno-economic convenience of oxygen-feeding case have been demonstrated. A final remark should be done for carbon-negative plant, which LCOH is slightly higher than air-feeding value, but the overall environmental benefits are increased.

Produrre idrogeno sostenibile è un prerogativa per raggiungere la neutralità carbonica. I reattori a membrana possono supportare questa crescente richiesta. Il fulcro di questo progetto è un impianto per la produzione di idrogeno da biogas con autothermal reforming (ATR) in un reattore a membrane a letto fluido. Il primo scopo è quantificare il miglioramento delle prestazioni alimentando, come agente ossidante, ossigeno anziché aria. In seguito sono state investigate varie soluzioni di accoppiamento fra l’impianto ATR ed un elettrolizzatore PEM per produrre O2 in loco. I risultati tecnico-economici sono stati comparati ad un caso di riferimento alimentato con aria. Il confronto aria-ossigeno è stato effettuato con le stesse condizioni operative, e si evidenzia: un aumento dell’HRF da 68.29% a 71.39%, un aumento dell’efficienza di sistema da 60.25% a 65.42% ed un minor numero di membrane adottate. L’accoppiamento PEM-ATR è stato valutato: collegato alla rete, assistito da campo fotovoltaico, assistito da campo PV e da batterie ed in isola. In isola l’impianto PEM-ATR viene alimentato solo dal campo PV e dalle batterie; al fine di disaccoppiare la produzione ed il consumo di ossigeno è stato installato un serbatoio per accumulare O2. Quando la combustione del retentato viene svolta con ossigeno si può ottenere un flusso di CO2 dai gas combusti. Due scenari sono stati valutati: nel primo (caso A), la CO2 viene venduta a condizioni ambiente (35 €/tonCO2), nel secondo (caso B), viene immessa in pipeline (50 €/tonCO2) ottenendo un impianto ad emissioni di CO2 negative. Le migliori prestazioni economiche si ottengono quando l’impianto PEM-ATR è assistito dal solo campo PV, raggiungendo LCOH pari a 4.82 €/kgH2 (caso A) e pari a 4.86 €/kgH2 (caso B). Questi risultati sono prossimi al LCOH (4.83 €/kgH2) nel caso in cui l’impianto ATR viene alimentato con aria e assistito da fotovoltaico. Si conclude che la fattibilità e la convenienza tecnico-economica di alimentare ossigeno anziché aria è stata dimostrata. L’impianto ad emissioni negative merita una nota di riguardo: ha LCOH prossimo a quello del caso con aria, ma genera benefici ambientali grazie al sequestro della CO2.