A comparative evaluation of the available technologies for the large-scale production of low-emission hydrogen

Climate change is one of the most pressing issues on global agendas nowadays. In order to contrast its effect a transitions towards cleaner production methods is strongly needed. In this context, low-emission hydrogen has emerged as an important tool for decarbonizing sectors in which emissions are hard to abate. Nowadays, hydrogen is mostly used in the chemical and oil industries and it is produced from natural gas and coal, which produces considerable emissions of greenhouse gases (GHG). New technologies are available for producing low-emissions hydrogen which could be used as an energy carrier in new applications such as transportation and industry sectors. This work aims to develop a summary of the available hydrogen production technologies, highlighting their performances and the challenges they face. A literature review and ENI S.p.A provided the data which was sorted according to the date of publications, publishing journal, and keywords contained. From this review, the most promising technologies were individuated. In particular, this work focuses on the technologies that could provide large-scale production of low-emission hydrogen in the short to medium term. The selected technologies are Alkaline, Proton exchange membrane and Solid oxide electrolyzers, Steam and Auto-thermal reforming of natural gas, and Coal gasification, with and without Carbon capture. Furthermore, a database was constructed to facilitate the manipulation of the data. Finally, an analysis of the gathered data was conducted. The main parameters analyzed were the Carbon footprint (CF), the Levelized cost of hydrogen (LCOH), and the Social cost of carbon (SCC). A map of LCOH and CF was constructed to provide a comprehensive view of the analyzed technologies’ performances and facilitate the comparisons between them. The results show how water electrolysis technologies need low-emission electricity to produce hydrogen with a small Carbon footprint. However, the production costs of these technologies are still far superior to those of fossil-based technologies (LCOH above 5 $/kgH2). Coal gasification is the most impactful of the analyzed technologies (CF above 10 kgCO2/kgH2) even though it achieves very low production costs. Steam methane reforming is confirmed as the most convenient hydrogen production method with low LCOH (below 2 $/kgH2) while considerable amounts of GHG are produced, however far less the amount produced by Coal gasification. When Carbon capture is applied Auto-thermal reforming becomes the most convenient technology with low production costs and emissions, 1.95 $/kgH2 and 3.38 kgCO2/kgH2 on average, respectively.

Il cambiamento climatico è uno dei temi più urgenti dell’agenda mondiale. Per contrastarne gli effetti, è fortemente necessaria una transizione verso metodi di produzione più puliti. In questo contesto, l’idrogeno a basse emissioni è emerso come uno strumento importante per decarbonizzare i settori in cui è difficile abbattere le emissioni. Al giorno d’oggi, l’idrogeno è utilizzato soprattutto nell’industria chimica e petrolifera ed è prodotto a partire da gas naturale e carbone, che producono notevoli emissioni di gas a effetto serra (GHG). Sono disponibili nuove tecnologie per la produzione di idrogeno a basse emissioni, che potrebbe essere utilizzato come vettore energetico in nuove applicazioni come i trasporti e i settori industriali. Il presente lavoro si propone di sviluppare una sintesi delle tecnologie disponibili per la produzione di idrogeno, evidenziando le loro prestazioni e le sfide che devono affrontare. Una revisione della letteratura e l’ENI S.p.A. hanno fornito i dati che sono stati ordinati in base alla data delle pubblicazioni, alla rivista di pubblicazione e alle parole chiave contenute. Da questa revisione sono state individuate le tecnologie più promettenti. In particolare, questo lavoro si concentra sulle tecnologie che potrebbero fornire una produzione su larga scala di idrogeno a basse emissioni nel breve e medio termine. Le tecnologie selezionate sono gli elettrolizzatori alcalini, a membrana a scambio protonico e a ossido solido, il reforming a vapore e autotermico del gas naturale e la gassificazione del carbone, con e senza cattura del carbonio. Inoltre, è stato costruito un database per facilitare la manipolazione dei dati. Infine, è stata condotta un’analisi dei dati raccolti. I principali parametri analizzati sono stati l’impronta di carbonio (CF), il costo livellato dell’idrogeno (LCOH) e il costo sociale del carbonio (SCC). È stata costruita una mappa di LCOH e CF per fornire una visione completa delle prestazioni delle tecnologie analizzate e facilitare il confronto tra di esse. I risultati mostrano come le tecnologie di elettrolisi dell’acqua necessitino di elettricità a basse emissioni per produrre idrogeno con un’impronta di carbonio ridotta. Tuttavia, i costi di produzione di queste tecnologie sono ancora di gran lunga superiori a quelli delle tecnologie basate sui combustibili fossili (LCOH superiore a 5 $/kgH2). La gassificazione del carbone è la più impattante tra le tecnologie analizzate (CF superiore a 10 kgCO2/kgH2) anche se raggiunge costi di produzione molto bassi. Il reforming del metano a vapore si conferma come il metodo più conveniente per la produzione di idrogeno con un basso LCOH (inferiore a 2 kgCO2/kgH2), mentre vengono prodotte quantità considerevoli di gas serra, comunque molto inferiori a quelle prodotte dalla gassificazione del carbone. Quando si applica la cattura del carbonio, il reforming autotermico diventa la tecnologia più conveniente con bassi costi di produzione ed emissioni, rispettivamente 1,95 $/kgH2 e 3,38 kgCO2/kgH2 in media.