Power-to-Hydrogen for long-term power and transport sector integration

This research work studied the integration of power and transport sectors at nation scale, assessing the role of energy storage systems and focusing on Power-to-Hydrogen (P2H) as the key interweaving component of future energy systems. Indeed, P2H is able to couple the expected electric overgeneration (due to massive increases in intermittent RES capacity, as envisioned by recent energy and climate policies) with the production of a multi-purpose energy vector (hydrogen). Looking at the long term, the projected co-presence of plug-in electric vehicles and fuel cell electric vehicles is the essential element that supports the sector coupling advantage. A nodal model was developed that takes into account the power transfer constraints on the electric grid and solves the hourly energy balance of the system, accounting for multiple energy vectors (electricity and hydrogen) and including any number of energy storage technologies. Considering generation fluctuations and load dynamics, demand mismatches and peak shaving needs are assessed. The model applications looked at Italy and California, which are comparable in terms of geographical as well as energy system sizes, analysing the system dynamics with a ‘given scenario’ or a ‘given target’ approach, respectively. In both cases, a massive increase of intermittent RES capacity and a large replacement of conventional vehicles are required to approach the ambitious GHG emission reduction targets, in combination with significant energy storage capacities. The development of FCEV mobility offers higher flexibility than the BEV option, while high investment costs and land area occupation of BESS confirm the advantages of P2H and P2P solutions for stationary energy storage. In the Italian case, the need for a hydrogen delivery infrastructure was also detailed and alternative hydrogen uses (other than mobility) were investigated. Overall, the work showed that sector integration via P2H is beneficial when intermittent RES capacity increases in the power sector and it is essential for an effective multi-sector decarbonisation.

Questa tesi ha analizzato l’integrazione dei settori energia elettrica e trasporti su scala nazionale, studiando il ruolo dei sistemi di accumulo dell’energia e focalizzandosi sul Power-to-Hydrogen (P2H) come elemento chiave di sinergia nei sistemi energetici del futuro. Il P2H, infatti, offre la possibilità di accoppiare la sovragenerazione elettrica (dovuta ai massici incrementi di capacità rinnovabile intermittente, come previsto dalle recenti politiche su energia e clima) con la produzione di un vettore energetico destinabile a diversi usi finali (idrogeno). Analizzando un orizzonte temporale di lungo periodo, la contemporanea presenza di veicoli elettrici plug-in e di veicoli elettrici a fuel cell è la caratteristica essenziale che consente di trarre vantaggi dall’abbinamento dei settori. A tal fine, si è sviluppato un modello nodale che risolve il bilancio energetico orario del sistema, includendo i limiti di trasferimento di energia lungo la rete elettrica. Si considerano diversi vettori energetici (elettricità e idrogeno) e un numero arbitrario di tecnologie di accumulo dell’energia. Il modello stima il carico elettrico residuo e la possibilità di differire nel tempo la fornitura di energia (peak shaving), considerando la fluttuazione della generazione elettrica e la variabilità della domanda. Il modello è stato applicato a due casi studio: Italia e California, che risultano simili per dimensione geografica e struttura del sistema energetico. Le analisi hanno fissato alternativamente lo scenario (capacità installata di generazione elettrica da fonti rinnovabili) o gli obiettivi di decarbonizzazione. In entrambi i casi, per avvicinarsi agli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra, sono necessari massici aumenti della capacità installata e significative sostituzioni del parco veicoli, nonché la presenza di grandi capacità di accumulo. L’introduzione di veicoli elettrici a fuel cell offre una maggiore flessibilità al sistema rispetto ai veicoli elettrici plug-in, mentre gli enormi investimenti e occupazione di suolo richiesti dalle batterie per uso stazionario confermano il vantaggio delle soluzioni di accumulo basate sull’idrogeno (P2H e P2P). Per il caso italiano, è stata anche dettagliata una possibile infrastruttura per la distribuzione dell’idrogeno e si sono studiati alcuni usi alternativi dello stesso (diversi dalla mobilità). In generale, il lavoro ha mostrato che l’integrazione dei settori tramite P2H è benefica per il settore elettrico in presenza di grandi capacità intermittenti e diventa essenziale nell'ottica di un’efficace decarbonizzazione multi-settoriale.