Hydrogen as a sustainable solution for the decarbonization of energy and mobility sectors : state of art and future perspective of production methods and applications

The use of fossil fuels, used to meet the growing energy needs of our society, is responsible for most of the CO2 emissions, which contribute to altering the climate and ecosystem of the planet. Furthermore, their scarcity will lead to an increase in the total extraction cost which could exceed the value associated with their use. It is clear therefore that the use of these resources without mitigation must be stopped quickly. The transport sector is responsible for around 25% of global energy consumption and 14% of total carbon dioxide emissions (Sector Coupling – Boosting Renewables to Full Scale, Michael Jensen, 2020) In this case, the transition to an electric mobility model clashes with the high energy needs required by certain applications such as medium and heavy-duty trucks, aviation and trains. An alternative to the traditional technologies applied to this sector is represented by vehicles using hydrogen as an energy carrier. In this regard, a comparative analysis with traditional ICE (Internal Combustion Engine) vehicles and BEV (Battery Electric Vehicle) is presented in the elaborate considering the road transportation sector. The analysis shows the main technical elements and the Total Cost of ownership both for the present and future. As subsequently presented, hydrogen can also play a key role in other fields such as power production, which would also encourage the growth of renewable energy, and the production of energy necessary for heating buildings. In this study, the hydrogen production processes are described in detail, as well as the transport and storage methods. In particular, the focus is then put on the Hydrogen Refueling Stations (HRS) of which is provided a technical and economical assessment, analyzing investment costs, operating costs and environmental impact expressed in CO2 emissions. Of course, the development of technologies related to the production and use of hydrogen cannot be only the initiative of private research entities but must be supported by the action of governments. They must set the conditions to boost the development, adoption of them and provide a clear regulation related to the hydrogen in terms of usage, storage, and transportation.

L’utilizzo di fonti fossili, impiegate per soddisfare i crescenti fabbisogni energetici della nostra società, è responsabile per la gran parte di emissioni di CO2, le quali contribuiscono ad alterare il clima e l’ecosistema del Pianeta. Inoltre, la loro scarsità porterà ad un aumento del costo totale di estrazione che potrebbe superare il valore associato al loro utilizzo. È chiaro quindi che un utilizzo di queste risorse senza mitigazione deve essere interrotto in tempi brevi. Il settore dei trasporti è responsabile di circa il 25% dei consumi di energia a livello globale e del 14% di emissioni totali di anidride carbonica (Sector Coupling – Boosting Renewables to Full Scale, Michael Jensen, 2020). In questo caso la transizione ad un modello elettrico di mobilità si scontra con l’alto fabbisogno di energia richiesto da applicazioni come il trasporto su gomma di media e lunga distanza, aviazione e treni. Un’alternativa alle tradizionali tecnologie applicate a questo cambio è rappresentata da veicoli utilizzanti l’idrogeno come vettore energetico, di cui è presentata nell’elaborato un’analisi comparativa con veicoli tradizionali a combustione interna e a batterie elettriche per quanto riguarda il settore di trasporti pesanti. Nell’analisi sono presentate sia le principali specifiche tecniche che il Total Cost of Ownership di ciascuna tipologia di veicolo pesante. Come successivamente presentato, l’idrogeno può inoltre giocare un ruolo chiave anche in altri settori quali la produzione di energia elettrica, che favorirebbe anche una crescita delle tradizionali energie rinnovabili e la produzione di energia termica necessaria al riscaldamento di abitazioni. In questo studio i possibili metodi di produzione sono dettagliatamente descritti, così come le modalità di trasporto e stoccaggio. Particolare enfasi è posta poi sulle stazioni di rifornimento di idrogeno di cui è proposta un’analisi tecno-economica presentando costi di investimento, operativi e impatto ambientale espresso in emissioni di CO2. Naturalmente, lo sviluppo delle tecnologie legate alla produzione e utilizzo dell’idrogeno non può essere solo iniziativa di enti di ricerca privati ma deve essere sostenuto dall’azione dei governi che devono favorire lo sviluppo, l’adozione di esse e fornire una chiara regolamentazione legata all’utilizzo, stoccaggio e trasmissione dell’idrogeno.