Techno-economic assessment of a centralized plant for hydrogen production from ammonia decomposition: comparison between conventional and membrane reactor

In the energy mix landscape of the coming decades hydrogen will play a decisive role. Although it is one of the most promising substitute of the fossil fuels in terms of energy carrier, there are still several challenges to face in order to build a sustainable economy. In particular, large scale storage and transportation are the main problems. Indeed, hydrogen is prone to leakage, it is highly flammable and above all it has a low volumetric energy density compared to conventional fossil sources, which is why it is more convenient to compress it at high pressures, liquefy it, or store it in the chemical bonds of hydrogen carrier compounds, such as ammonia or methanol. Among the various proposed solutions, one of the most promising is to store hydrogen in the form of green ammonia. The basic idea is to store and transport hydrogen as liquid ammonia, since its storage and transportation is easier, and then recover hydrogen on-site, for example next to refueling stations. This work deals with the design of a centralized plant for the production of pure hydrogen from ammonia decomposition with a target output of 1000 t/d. It focuses on the techno- economical comparison between two cases: case 1 adopts a conventional reactor, case 2 a membrane reactor. Membrane reactor shows better performance, allowing a more convenient plant layout resulting in a lower total cost of investment, whereas the conventional plant allows to obtain the same output with a lower input, mainly due to the different way of providing heat to the reactor, which is strictly related to the feed flow. The economic analysis reveals that the final cost of hydrogen (COH) is strongly affected by the price of green ammonia, which is nowadays really high. As a consequence, the conventional plant is characterized by a lower COH since it minimizes the amount of ammonia in input.

Nel panorama energetico dei prossimi decenni, l'idrogeno giocherà un ruolo decisivo. É uno dei sostituti più promettenti dei combustibili fossili, tuttavia ci sono ancora diverse sfide da affrontare per costruire un'economia sostenibile. In particolare, lo stoccaggio su larga scala e il trasporto sono i principali problemi. Infatti è altamente infiammabile e soprattutto ha una bassa densità energetica volumetrica rispetto alle fonti fossili convenzionali, motivo per cui è più conveniente comprimerlo a elevate pressioni, liquefarlo o immagazzinarlo nei legami chimici di composti trasportatori di idrogeno, come ammoniaca o metanolo. Tra le varie soluzioni proposte, una delle più promettenti è immagazzinare l'idrogeno sotto forma di ammoniaca verde. L'idea di base è quella di immagazzinare e trasportare l'idrogeno come ammoniaca liquida, poiché il suo stoccaggio e trasporto sono più facili, per poi recuperare l'idrogeno in loco, ad esempio in prossimità delle stazioni di rifornimento. Questo lavoro si occupa della progettazione di un impianto centralizzato per la produzione di idrogeno puro dalla decomposizione dell'ammoniaca con un output target di 1000 t/d. Si concentra sul confronto tecnico-economico tra due casi: il caso 1 adotta un reattore convenzionale, il caso 2 un reattore a membrana. Il reattore a membrana mostra una migliore performance, consentendo un layout di impianto più conveniente con un costo totale di investimento più basso, mentre l'impianto convenzionale consente di ottenere lo stesso output con un input inferiore, principalmente a causa del diverso modo di fornire calore al reattore, che è strettamente legato al flusso di ammoniaca in ingresso. L'analisi economica rivela che il costo finale dell'idrogeno (COH) è fortemente influenzato dal prezzo dell'ammoniaca verde, attualmente molto elevato. Di conseguenza, l'impianto convenzionale è caratterizzato da un COH inferiore poiché minimizza la quantità di ammoniaca in ingresso.