Comparative techno-econommic analysis of conventional and advanced reforming processes for hydrogen production from biogas

Hydrogen is now viewed as a cornerstone of the energy transition. Biogas from organic waste is a carbon-neutral feedstock recognized as a strategic lever for sustainable energy. This study compares four biogas-to-H2 reforming pathways: bi-reforming (B-Ref), tri-reforming (T-Ref), an electrified reformer (E-Ref), and a membrane-integrated reformer (M-Ref). Each configuration is simulated in Aspen Plus® and costed using standard correlations. In addition, the membrane reactor is represented by a one-dimensional isothermal model (in MATLAB®) that is calibrated with experimental data and scaled to the target process conditions and geometry. All cases achieve very high CH4 conversion (>93%; around 96% for B/T-Ref) and H2 yields of 60–80% (highest for E-Ref, second-highest for M-Ref). The M-Ref configuration overcomes thermodynamic limits via continuous hydrogen removal, achieving effective H2 recovery of 92%. On an energy basis, the electrified reformer requires the most external energy (SEC = 61 MJ per kg of H2) due to resistive heating while the M-Ref is the most thermal efficient configuration (70%). Specific CO2 emissions vary markedly: E-Ref emits about 22 kg of CO2 per kg H2 (highest), whereas M-Ref produces only 14 kg/kg (lowest). Avoiding H2 compression costs, the levelized cost of H2 (LCOH) is 3.7-3.8 €/kg for B-Ref, T-Ref and M-Ref, versus 4.8 €/kg for E-Ref. The M-Ref case has the highest capital cost (3 M€) and is very sensitive to the membrane price (a 50% cost reduction raises the NPV by almost 2 M€). Under base assumptions, B-Ref achieves the highest net present value (13.2 M€), whereas the M-Ref offers the greatest techno-economic promise if membrane costs are mitigated.

L’idrogeno è oggi considerato una pietra miliare della transizione energetica. Il biogas derivante dai rifiuti organici è una materia prima ’carbon neutral’ riconosciuta come leva strategica per l’energia sostenibile. Questo studio mette a confronto quattro percorsi di reforming da biogas a H2: bi-reforming (B-Ref), tri-reforming (T-Ref), reformer elettrificato (E-Ref) e reformer con membrana integrata (M-Ref). Ciascuna configurazione è simulata in Aspen Plus® e il suo costo è calcolato utilizzando correlazioni standard. Inoltre, il reattore a membrana è rappresentato da un modello isotermico unidimensionale (in MATLAB®) calibrato con dati sperimentali e scalato alle condizioni di processo e alla geometria target. Tutti i casi raggiungono una conversione di CH4 molto elevata (>93%; circa il 96% per B/T-Ref) e rese di H2 comprese tra il 60 e l’80% (la più alta per E-Ref, la seconda più alta per M-Ref). La configurazione M-Ref supera i limiti termodinamici tramite la rimozione continua dell’idrogeno, raggiungendo un recupero effettivo di H2 del 92%. In termini energetici, il reformer elettrificato richiede la maggior quantità di energia esterna (SEC = 61 MJ per kg di H2) a causa del riscaldamento resistivo, mentre M-Ref è la configurazione più efficiente dal punto di vista termico (70%). Le emissioni specifiche di CO2 variano notevolmente: E-Ref emette circa 22 kg di CO2 per kg di H2 (il valore più alto), mentre M-Ref ne produce solo 14 kg/kg (il valore più basso). Senza considerare i costi di compressione dell’H2, il costo livellato dell’H2 (LCOH) è pari a 3,7-3,8 €/kg per B-Ref, T-Ref e M-Ref, contro i 4,8 €/kg per E-Ref. Il caso M-Ref presenta il costo di capitale più elevato (3 M€) ed è molto sensibile al prezzo della membrana (una riduzione dei costi del 50% aumenta l’NPV di quasi 2 M€). In base alle ipotesi di base, B-Ref raggiunge il valore attuale netto (NPV) più elevato (13,2 M€), mentre M-Ref offre le maggiori prospettive tecno-economiche se i costi della membrana vengono mitigati.