Orange hydrogen production via H2S thermal splitting (HSTS): a comprehensive techno-economic-environmental assessment

This study presents a technical, economic, and environmental assessment of a novel process for hydrogen production from hydrogen sulfide (H2S) streams, typically generated as by-products in large industrial facilities such as refineries. The H2S Thermal Splitting (HSTS) process was modeled and simulated under steady-state conditions in Aspen HYSYS to quantify energy and material flows and evaluate key process performance indicators. Although the intrinsic single-pass conversion is limited to 17.4%, the implementation of a recycle loop enables a high overall plant conversion of 97.4%. Economic analysis using the CORO tool indicates that the plant’s Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) ranges from 7.74 to 12.58 USD/kgH2 depending on cost assumptions, with a payback time of 4.86 years at a hydrogen selling price of 16.07 USD/kgH2 (corresponding to a MARR of 24%). Compared to current market prices, the process is not yet economically competitive, highlighting the need for either lower capital and operating costs or higher hydrogen market prices to improve investment viability. Environmental performance was assessed through a gate-to-gate life cycle assessment (LCA) using openLCA and the European Life Cycle Database (ELCD), with 1 kg of hydrogen at 15 bar as the functional unit. The global warming potential (GWP) ranges from 20.62 to 17.74 kgCO2/kgH2 depending on the electricity mix, and can decrease to 10.90 kgCO2/kgH2 if process steam is supplied externally. Sulfur recovery provides a relevant environmental credit, partially offsetting the process emissions. Overall, the HSTS process demonstrates technical feasibility and environmental benefits in sulfur-rich industrial contexts, but its current economic performance limits immediate industrial deployment.

Questo studio presenta una valutazione tecnica, economica e ambientale di un processo innovativo per la produzione di idrogeno a partire da correnti di idrogeno solforato (H2S), tipicamente generate come sottoprodotti in grandi impianti industriali, quali le raffinerie. Il processo di Scissione Termica dell’H2S (HSTS) è stato modellato e simulato in condizioni di regime stazionario mediante Aspen HYSYS, al fine di quantificare i flussi di materia ed energia e valutare i principali indicatori di prestazione del processo. Sebbene la conversione intrinseca in singolo passaggio sia limitata al 17.4%, l’implementazione di un loop di riciclo consente di raggiungere un’elevata conversione complessiva di impianto pari al 97.4%. L’analisi economica, condotta mediante lo strumento CORO, indica che il Costo Livellato dell’Idrogeno (LCOH) dell’impianto varia tra 7.74 e 12.58 USD/kgH2 a seconda delle assunzioni di costo, con un tempo di ritorno dell’investimento pari a 4.86 anni a un prezzo di vendita dell’idrogeno di 16.07 USD/kgH2 (MARR del 24%). Rispetto ai prezzi di mercato attuali, il processo non risulta ancora economicamente competitivo, evidenziando la necessità di ridurre i costi di capitale e operativi oppure di beneficiare di prezzi di mercato dell’idrogeno più elevati per migliorare la sostenibilità dell’investimento. Le prestazioni ambientali sono state valutate mediante un’analisi del ciclo di vita (LCA) gate-to-gate, condotta con il software openLCA e il database European Life Cycle Database (ELCD), assumendo come unità funzionale 1 kg di idrogeno a 15 bar. Il potenziale di riscaldamento globale (GWP) varia tra 20.62 e 17.74 kgCO2/kgH2 in funzione del mix elettrico considerato, e può ridursi fino a 10.90 kgCO2/kgH2 qualora il vapore di processo sia fornito esternamente. Il recupero dello zolfo fornisce un credito ambientale rilevante, che contribuisce a compensare parzialmente le emissioni del processo. Nel complesso, il processo HSTS dimostra fattibilità tecnica e benefici ambientali in contesti industriali caratterizzati da elevate disponibilità di zolfo, ma le sue prestazioni economiche attuali ne limitano l’immediata applicazione industriale.