Techno-economic analysis of low-temperature CO2 capture for ATR-based blue hydrogen production

Blue hydrogen production is considered as a key factor in the energy transition challenge of the upcoming years. This thesis focuses on the simulation of a blue hydrogen production plant based on the autothermal reforming (ATR) process, comprising of an air-separation unit (ASU), a ATR unit and a CO2 capture and hydrogen purification section. The goal is to evaluate the techno-economical performances of low-temperature CO2 capture based on partial condensation, with MDEA-based chemical absorption used as a benchmark. Moreover, two configurations of the low-temperature process were studied, based on the position of the hydrogen purification unit with respect to the capture section. The simulations were performed using the Aspen Plus software, developed by Aspen Technology. The results of the simulations show an advantage of both the low-temperature layouts with respect to the MDEA absorption configuration. The configuration comprising of the purification unit downstream of the low-temperature process (named CC-PSA-95) results in being the most efficient, with an overall specific energy consumption of 705.83 kJel/kgCO2capt, followed by the other low-temperature layout with the purification unit upstream of the low-temperature process (named PSA-CC-95), with a specific consumption of 864.17 kJel/kgCO2capt, and the chemical absorption layout (named MDEA-95) with 992.72 kJel/kgCO2capt. From an economical point of view, CC-PSA-95 also results in being the most convenient solution, with a Levelized Cost of Hydrogen equal to 3.490 €/kgH2, followed by PSA-CC-95 with 3.547 €/kgH2 and MDEA-95 with 3.640 €/kgH2.

La produzione di idrogeno blu è considerata un fattore chiave per la sfida della transizione energetica dei prossimi anni. Questa tesi si focalizza sulla simulazione di un impianto di produzione di idrogeno blu basato sul reforming autotermico (ATR), composto da un’unità di separazione dell’aria (ASU), un’unità di ATR e una sezione di cattura della CO2 e purificazione dell’idrogeno. L’obiettivo è quello di valutare le prestazioni tecno-economiche della cattura della CO2 a bassa temperatura basata sulla condensazione parziale, usando l’assorbimento chimico tramite MDEA come punto di riferimento. Inoltre, sono state studiate due configurazioni del processo a bassa temperatura, basate sulla posizione dell’unità di purificazione dell’idrogeno rispetto alla sezione di cattura. Le simulazioni sono state svolte grazie all’ausilio del software Aspen Plus, sviluppato da Aspen Technology. I risultati delle simulazioni dimostrano un vantaggio di entrambe le configurazioni a bassa temperatura rispetto alla configurazione ad assorbimento con MDEA. La configurazione comprendente l’unità di purificazione localizzata a valle del processo a bassa temperatura (denominato CC-PSA-95) risulta essere la più efficiente, con un consumo specifico complessivo di energia di 705.83 kJel/kgCO2capt, seguito dall’altra configurazione a bassa temperatura con l’unità di purificazione a monte del processo a bassa temperatura (denominato PSA-CC-95), con un consumo specifico di 864.17 kJel/kgCO2capt, e dalla configurazione ad assorbimento chimico (denominata MDEA-95) con 992.72 kJel/kgCO2capt. Dal punto di vista economico, CC-PSA-95 risulta ancora essere la soluzione più conveniente, con un costo livellato dell’idrogeno (LCOH) di 3.490 €/kgH2, seguito da PSA-CC-95 con 3.547 €/kgH2 e MDEA-95 con 3.640 €/kgH2.