地熱能作為一種有前景的氫氣生產資源，因其可調節的輸出和比化石燃料更低的溫室氣體（GHG）排放而受到關注。這種資源來源于地熱流體中的放射性衰變和原始熱量，其可用性取決于溫度和地質條件。在構造活躍地區的高溫地熱流體可以實現大規模利用[1]，而在火山活躍地區則通常提供適合工業規模部署的高焓資源[2]。因此，利用地熱流體的熱量[3]或由此產生的電力[4]進行間接地熱氫生產已經得到了廣泛研究。最近的研究越來越多地將地熱能系統與氫氣生產相結合。Om等人提供了一項綜合評估，表明地熱驅動的綠色氫氣可以成為一條有前景的脫碳途徑[5]，Cui和Aziz量化了不同地熱發電配置下的氫氣生產潛力[6]，Hamlehdar等人評估了地熱基氫生產系統在多年運行下的長期性能[7]。
已經研究了兩種主要的間接地熱氫生產途徑。第一種是電解法，該方法由地熱電力驅動。Yilmaz和Kanoglu分析了一個基于有機朗肯循環（ORC）的系統，該系統為質子交換膜（PEM）電解槽供電，實現了122.4公斤/小時的氫氣產量，能源效率為64.0%，能量效率為61.6%[8]。Hamlehdar等人評估了與高溫沉積含水層耦合的PEM系統，報告稱長期運行下氫氣產量為18.71公斤/小時，平準化氫氣成本（LCOH）為3.78-3.57美元/公斤-氫[7]。Akda?提出了一種利用中溫地熱資源通過ORC驅動的水電解系統，并預測到2050年氫氣生產成本將降低75%（從5.26美元/公斤-氫降至1.30美元/公斤-氫）[9]。第二種途徑是應用熱化學循環。Balta等人使用地熱能作為熱源，對Cu–Cl熱化學循環進行了能量-成本-質量分析[10]。該系統可實現49%的能源效率和54%的能量效率，氫氣成本為2.05美元/公斤-氫。Gevez和Dincer對實驗室規模的Cu–Cl系統進行了特定的能量-成本分析，并估計當規模擴大到41.67公斤/小時時，LCOH可達3.91美元/公斤[11]。Balta等人研究了一種由地熱熱驅動的四步Cu–Cl循環，其能源效率和能量效率分別為21.67%和19.35%[12]。這項研究進一步表明，提高上游地熱發電廠（GPP）的效率可以將氫循環效率提高到27%。
然而，當地熱能被間接利用時，地熱流體中的硫化氫（H2S）往往未被處理。火山和地熱地區的地熱流體天然含有H2S[13]，這是一種腐蝕性和有毒的氣體，對設備完整性和人類健康構成嚴重威脅[14]。即使在微量濃度下，H2S也會刺激呼吸系統和神經系統。因此，職業安全與健康管理局將8小時暴露水平限制在10 ppm以下[15]。據報道，在冰島[16]、墨西哥[17]和意大利[18]，地熱發電廠的H2S排放量顯著。因此，有效去除或利用H2S對于確保環境保護和職業安全至關重要。
已經開發了幾種技術來減輕地熱系統中的H2S，以提高地熱能利用的可持續性。Claus工藝是工業廠中最廣泛商業化的技術，被認為是地熱應用的一個有前景的選擇。該工藝通過熱氧化和催化反應將H2S轉化為元素硫[19]，實現了高硫轉化效率（95-97%）和技術成熟度[20]。然而，Claus工藝在超過900°C的溫度下運行，需要使用昂貴的催化劑[21]，并且仍有殘留副產品可能釋放到大氣中[22]。也研究了使用溶劑（如單乙醇胺[23]或氫氧化鈉[24]）的化學吸收方法，但這些方法需要大量溶劑和催化劑，能耗高，并產生二次廢物，限制了其可持續性。
電化學方法通過電解實現同時回收硫和生產氫氣，最近成為處理H2S的有希望的替代方案[25]。這些系統在溫和的溫度下運行，不需要大量化學吸附劑或催化劑，并且可以防止產生二次副產品。與傳統Claus工藝相比，這些方法在技術經濟和環境方面具有優越性。電化學方法通常分為直接方法，其中H2S在電極處分解；以及間接方法，這些方法使用鐵、碘和釩等氧化還原介質[26]。雖然其他系統面臨諸如氧化還原穩定性有限、材料成本高和循環性能不穩定等挑戰，但使用氯化鐵的Fe–Cl氧化還原系統是提高耐用性、去除效率和成本效益的最有前景的間接方法之一[27]。
先前的研究報道，在60-80°C下，H2S的吸收效率約為98.5-99.5%，并且在連續運行條件下氧化還原循環穩定（Fe3+/Fe2+）[28]。在這些研究中，使用了耐酸電極材料（如石墨或碳基電極），并且在長達1000小時的運行時間內沒有觀察到明顯的電極降解或異常電壓行為。此外，操作電池電壓遠低于氯的析出電位（1.36 V）[29]，表明與氯相關的副反應得到了有效抑制。這些發現支持了Fe–Cl工藝用于硫化氫轉化的基本可行性和耐用性。然而，將其集成到地熱氫生產系統中卻很少被研究，而且缺乏全面的技術經濟和生命周期評估。
為了填補這些空白，本研究提出了一種新的系統，該系統將Fe–Cl工藝用于地熱發電廠（GPP）中的H2S去除和氫生產，并評估其經濟和環境可行性。這項工作側重于過程設計和系統級評估，以提供關于可行性和關鍵性能驅動因素的決策相關見解。Fe–Cl工藝利用基于鐵的氧化還原介質實現高效的硫回收和具有成本效益的氫生產，為可持續的地熱應用提供了實際途徑[19]。與現有方法不同，所提出的系統直接利用地熱流體生產氫氣，從而消除了單獨進行H2S處理的需要。這種集成簡化了過程配置，降低了能耗，并提高了經濟性能。此外，H2S的去除及其同時轉化為氫氣提高了系統的整體能源效率和環境效益。這些貢獻有望克服當前地熱氫生產途徑的局限性，并為可持續地熱氫系統的設計提供見解。
在這項研究中，基于Hellisheidi地熱發電廠開發了一個過程模型，并定義了五種氫生產方案：（i）基于傳統地熱電力的水電解和熱化學循環；（ii）帶有額外Claus單元用于H2S去除的傳統地熱氫生產；（iii）所提出的Fe–Cl工藝。分析了每種方案的能量、技術經濟和環境性能，以評估所提出系統的可行性及其相對于現有方法的相對優勢。
