Techno-economic assessment of the electrified hydrogen production

Hydrogen is currently produced predominantly through fossil fuel reforming and gasification, which account for approximately 3% of annual global CO2 emissions. To reduce the carbon intensity of hydrogen production, several low-carbon alternatives have been proposed, including biogas reforming and electrified steam methane reforming (e-SMR). Biogas benefits from its biogenic origin, leading to near net-zero carbon emissions, while e-SMR replaces the natural gas combustion used for reactor heating in conventional SMR with electrical heating. This study conducts a dynamic techno-economic assessment of these processes in comparison with state-of-the-art steam methane reforming (SMR) and autothermal reforming (ATR), evaluating the impact of implementing carbon capture and permanent storage (CCS). The analysis incorporates time-resolved and seasonal variations of real electricity prices in Swiss, French, and German scenarios, employed as reference cases for low and high electricity footprint. Large-scale SMR and ATR plants exhibit the highest process efficiency (79-81%), which remains stable when CCS is implemented (77-81%). Lower efficiencies are observed for biogas reforming (56-67% base case, 65-69% with CCS) and e-SMR (59% base case, 71% with CCS) due to their smaller scale. CCS significantly reduces carbon footprints: from 8.6-8.7 to 1.2-3.4 kgCO2/kgH2 for SMR and ATR, and from 0.2-1.0 to between -10 and -4 kgCO2/kgH2 for biogas reforming. e-SMR emissions (from 6-18 to 0.3- 10 kgCO2/kgH2 with CCS) depend strongly on the electricity mix. The possible presence of carbon credits, makes the application of CCS economically beneficial for SMR and ATR (LCOH ranging from 1.6 to 1.3 €/kgH2 ), and to biogas reforming (from 3.7 to 3.5 €/kgH2 ), thanks to carbon credits. e-SMR competitiveness is highly electricity-price-dependent and benefits from CCS regardless of carbon credits, performing best in France (3.7 to 2.5 €/kgH2 with CCS) and worst in Switzerland (4.2 to 3.1 €/kgH2 with CCS). Intermittent operation to exploit lowcost electricity further reduces e-SMR costs by 0.1-0.4 €/kgH2 .

L’idrogeno è attualmente prodotto principalmente tramite reforming del metano e gassificazione dei combustibili fossili, processi che contano per circa il 3% delle emissioni globali annue di CO2. Per ridurne l’intensità di carbonio, sono state sviluppate tecnologie alternative a basse emissioni, tra cui il reforming del biogas e l’elettrificazione dello steam methane reforming (e-SMR). Il biogas, di origine biogenica, comporta emissioni nette prossime allo zero, mentre nell’e-SMR la combustione del metano utilizzata per il riscaldamento del reattore nello SMR convenzionale viene sostituita da riscaldamento elettrico. Questo lavoro presenta una valutazione tecnico-economica comparativa di tali processi rispetto allo steam methane reforming (SMR) e all’auto-thermal reforming (ATR) allo stato dell’arte, valutando l’impatto dell’implementazione della cattura e stoccaggio permanente del carbonio (CCS). L’analisi considera inoltre variazioni temporali e stagionali dei prezzi reali dell’elettricità in Svizzera, Francia e Germania, utilizzate come scenari di riferimento per footprint elettrico basso e alto. Gli impianti SMR e ATR su larga scala mostrano le maggiori efficienze (79-81%), che rimangono stabili con CCS (77-81%). Efficienze inferiori caratterizzano il reforming del biogas (56-67% senza CCS, 65-69% con CCS) e l’e-SMR (59% senza CCS, 71% con CCS) a causa della scala ridotta dei processi. L’applicazione della CCS riduce significativamente l’intensità di carbonio: da 8.6-8.7 a 1.2-3.4 kgCO2/kgH2 per SMR e ATR, e da 0.2-1.0 a tra -10 e -4 kgCO2/kgH2 per il reforming del biogas. Le emissioni dell’e-SMR (6-18 senza CCS, 0.3-10 kgCO2/kgH2 con CCS) dipendono fortemente dal mix elettrico utilizzato. L’applicazione della CCS risulta economicamente vantaggiosa per SMR e ATR (LCOH da 1.6 a 1.3 €/kgH2 ) e per il reforming del biogas (da 3.7 a 3.5 €/kgH2 ), grazie all’eventuale presenza di crediti di carbonio. La competitività dell’e-SMR dipende fortemente dal prezzo dell’elettricità e beneficia della CCS, indipendentemente dai crediti di carbonio, risultando più favorevole in Francia (da 3.7 a 2.5 €/kgH2 con CCS) e meno in Svizzera (da 4.2 a 3.1 €/kgH2 con CCS). Operazioni intermittenti per sfruttare le ore a basso costo elettrico riducono ulteriormente il LCOH di 0.1-0.4 €/kgH2 .