The European Union has committed to limiting the global temperature rise below 2°C. Urgent action is needed to achieve this goal, especially in the transport sector, which alone is responsible for 32% of the emissions of the member states. Clean mobility options must be introduced, which offer low- or even zero-emission levels. Amongst various technology alternatives, fuel cell electric vehicles appear competitive for some inherent characteristics such as the extended range and the fast refuelling times. One of the main challenges to face to boost the sector growth is the realisation of a hydrogen distribution infrastructure for the vehicles fuelling. In this framework, this thesis work aims at addressing the issue of hydrogen delivery, by developing a modelling tool that is able to define and optimise the layout of hydrogen distribution networks. Given a potential network topology, the model selects the most appropriate technology types and determines the installed capacities and the quantities to produce, transport and store, in order to connect hydrogen production and consumption points. The objective function of the model is to minimize the total network cost while guaranteeing to satisfy the demand, balancing the system over a year-long time horizon. The tool can implement any number of production methods as well as transport and storage technologies. The model was applied to the study of two regional cases in Italy (Lombardy and Sicily), in a projected 2050 scenario with a high penetration of hydrogen vehicles (25% at the country level). Hydrogen production technologies included in the case studies are steam methane reforming with carbon capture and electrolysis powered by dedicated photovoltaic plants, whereas hydrogen delivery options include gaseous and liquid trucks as well as gaseous pipeline transportation. The outcome was the estimate of optimum regional hydrogen distribution networks, mainly relying on pipelines transporting gaseous hydrogen in both cases due to the large hydrogen quantities involved. The required investment for the network realisation was estimated in 4.1 € billion for Lombardy and 1.6 € billion for Sicily. These values correspond to an average cost of hydrogen delivered to the demand nodes of 7.66 €/kg and 6.44 €/kg, respectively (including production, but excluding refuelling station costs).

L’Unione Europea ha stabilito ambiziosi obiettivi di tutela ambientale e in particolare l’impegno a mantenere l’incremento della temperatura del pianeta al di sotto di 2°C. Il settore dei trasporti è, da solo, responsabile del 32% delle emissioni degli Stati Membri. È quindi di fondamentale importanza che il settore preveda l’introduzione di tecnologie pulite per la mobilità al fine di favorire la riduzione di emissioni ad esso collegate. Tra le diverse opzioni possibili, i veicoli elettrici a fuel cell alimentati a idrogeno presentano caratteristiche che li rendono particolarmente competitivi, come un range chilometrico ampio e tempi di rifornimento di carburante ridotti. Uno degli aspetti più complessi da affrontare per incentivare lo sviluppo del settore è la realizzazione di un’infrastruttura idonea a garantire il rifornimento dell’idrogeno ai veicoli. Il presente lavoro di tesi si sviluppa a partire dalla necessità di creare un modello da utilizzare come strumento per l’ottimizzazione di reti di distribuzione dell’idrogeno. Data una rete di cui sia nota la topologia, il modello determina le tecnologie installate, le capacità e le quantità da produrre, trasportare e stoccare per connettere tra di loro punti di generazione e consumo di idrogeno. Il fine ultimo del modello sono la minimizzazione del costo della rete creata e il soddisfacimento della domanda in ogni istante: il bilancio del sistema è calcolato su un orizzonte temporale di un anno. Il modello consente l’implementazione di molteplici tecnologie di produzione, trasporto e stoccaggio, da definire tramite parametri tecnici ed economici. Il modello è stato applicato a due casi studio regionali in Italia, la Lombardia e la Sicilia, analizzando uno scenario al 2050 con una penetrazione di veicoli a fuel cell pari al 25% del parco veicoli totale del paese. Le tecnologie di produzione considerate sono processi di reforming del metano con cattura di anidride carbonica ed elettrolisi alimentata da impianti fotovoltaici dedicati. Le potenziali tecnologie per il trasporto analizzate dal modello sono trasporto stradale, via carri bombolai e camion cisterna criogenici, e condotte dedicate. Il risultato ottenuto è la stima di un’infrastruttura regionale di distribuzione dell’idrogeno che soddisfa i vincoli di ottimo. In entrambi i casi la rete è basata principalmente sul trasporto gassoso via tubature, a causa delle alte domande di idrogeno attese. I costi di investimento previsti dal modello sono di 4.1 miliardi di € per la Lombardia e 1.6 miliardi di € per la Sicilia, corrispondenti a un costo dell’idrogeno trasportato ai nodi di domanda di 7.66 €/kg e 6.44 €/kg, rispettivamente, comprensivi del costo di produzione ma non dei costi legati alle stazioni di rifornimento.