Economic Optimization of Biogas-to-Hydrogen and Methanol Plants with Electrified Steam Reforming

This Thesis Work is carried out in the context of Biogas-to-Hydrogen and Biogas-to-Methanol processes and deals with the design, the techno-economic analysis and the economic optimization of two small size plants for the production of low-carbon hydrogen and methanol that adopt the emerging technology of electrified steam methane reforming (eSMR). A detailed literature review was carried out to determine the state-of-the-art configurations for both plants, resulting in an hydrogen plant composed by an eSMR, a Water Gas Shift reactor, a carbon capture and liquefaction section, and a Pressure Swing Adsorption unit; the methanol plant, for which a carbon capture section is not employed not being a decarbonised energy vector, is composed by an eSMR, a methanol synthesis reactor and a purification section. The techno-economic analysis performed aimed at computing the main Key Performance Indexes of both plants, at evaluating their economic profitability by an NPV analysis carried out on the full-grid case and at studying their partial load performance by means of an off-design analysis to harvest enough data for their economic optimization. The novelty of this Work consists in the adoption of two optimization strategies aimed at increasing the degree of self-sufficiency from the electric grid: the first allows the integration of the systems with a PV field, a Battery Energy Storage System and an Internal Combustion Engine; the second allows also the integration with a biogas and syngas storage system with the possibility of increasing the size of the syngas generation section of both systems to enhance plant flexibility. The final objectives are to assess wheter the integration is economically convenient compared to the case in which the plants are served only by the electric grid and to investigate different degrees of self-sufficiency. These goals are analysed both in the current and in the future scenario, highlighting how much electricity and biogas costs and plant’s flexibility play an important role in the resulting hydrogen and methanol break-even prices.

Il presente Lavoro di Tesi è svolto nell'ambito delle tecnologie Biogas-to-Hydrogen e Biogas-to-Methanol e riguarda la progettazione, l'analisi tecno-economica e l'ottimizzazione economica di due impianti di piccola taglia per la produzione di idrogeno e metanolo a basso impatto ambientale che adottano la nuova tecnologia dello steam methane reforming elettrificato (eSMR). Da un'analisi della letteratura si è studiato lo stato dell'arte delle configurazioni di ambedue gli impianti, ottenendo un impianto di produzione dell'idrogeno costituito da un reattore eSMR, un reattore per la reazione di Water Gas Shift, una sezione di cattura e liquefazione della CO2 e un'unità di purificazione della carica (PSA). Invece l'impianto produzione del metanolo, non equipaggiato con una sezione di cattura della CO2 non essendo un vettore energetico decarbonizzato, è costituito dal reattore eSMR, seguito dal reattore di sintesi del metanolo e da una sezione di purificazione dello stesso. L'analisi tecno-economica svolta ha l'obiettivo di determinare i principali indici di prestazione degli impianti, di valutare la loro profittabilità economica mediante un'analisi NPV nel caso di completa dipendenza dalla rete elettrica e di studiare le loro prestazioni a carico parziale tramite una analisi di off-design volta anche a raccogliere sufficienti dati per l'ottimizzazione economica degli impianti. La novità introdotta dal presente Lavoro è l'adozione di due differenti strategie di ottimizzazione con lo scopo di ridurre la dipendenza dalla rete elettrica: la prima prevede l'integrazione dei sistemi con un impianto fotovoltaico, un sistema di accumulo elettrochimico e un motore a combustione interna; la seconda prevede anche l'utilizzo di sistemi di accumulo di biogas e di syngas oltre alla possibilità di aumentare la taglia della sezione di generazione del syngas al fine di incrementare la flessibilità degli impianti. L'obiettivo finale è di valutare la convenienza economica dell'integrazione rispetto al caso di totale dipendenza dalla rete elettrica e di studiare differenti gradi di autosufficienza elettrica. Questo obiettivo è analizzato sia nello scenario corrente che in quello futuro, evidenziando quanto il costo dell'elettricità e del biogas e la flessibilità delle soluzioni proposte giochino un ruolo importante nei costi di produzione finali di idrogeno e metanolo.