Hydrogen as energy storage for a zero emission electric sector : study of the Italian case

The objective of this thesis work consists to study the economic advantage of the use of hydrogen as seasonal energy storage in the context of the Italian electric sector. The concept base is the increase of installed power of photovoltaic plants to reduce carbon dioxide emissions and the utilization of the energy produced in excess to obtain hydrogen through electrolysis process (Power-to-gas). This gaseous fuel is then stored and implied in combined cycles already present on Italian soil. Hydrogen is produced during the seasons characterized by greater sun exposure and utilized in the others to avoid an excessive installation of photovoltaic panels; to cover night consumption battery energy systems are employed. The main purpose is to understand if it is more convenient using hydrogen as seasonal energy storage or satisfying daily the entire demands with batteries also in the seasons with scarce photovoltaic production. To evaluate this, models are created starting from the real Italian production and consumption data hour by hour and scenarios are then built according to the different strategies proposed. The obtained results are in terms of costs of CO2 avoided (CCA) under the same absolute annual emissions. From the comparison, it emerges that hydrogen becomes the most convenient strategy when the emission reduction objective is greater than 90% with respect to the actual value. Moreover, results show that if limitation remains under 50% it is better not to project a storage system, because it is more convenient to install a greater photovoltaic power and waste a part of the produced energy. Sensitivity analyses are conducted with the aim to observe the effect of price reduction of the various technologies on the scenarios. Future works could be focused on the identification of the most advantageous solution to store the quantity of hydrogen produced.

L'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nello studiare la convenienza dell'utilizzo dell'idrogeno come forma di accumulo energetico stagionale nel contesto del settore elettrico nazionale italiano. Il concetto che sta alla base è l'incremento della potenza installata di impianti fotovoltaici per ridurre le emissioni di anidride carbonica e l'utilizzo dell'energia prodotta in eccesso per produrre idrogeno attraverso elettrolisi (Power-to-gas). Questo combustibile gassoso viene poi stoccato e impiegato in cicli combinati già presenti sul suolo italiano. L'idrogeno viene prodotto nelle stagioni con maggior esposizione solare e utilizzato nelle altre per evitare di dover installare una quantità eccessiva di pannelli fotovoltaici; per coprire i carichi notturni vengono impiegate invece batterie. La finalità principale è quella di capire se è più conveniente utilizzare l'idrogeno in ambito stagionale o soddisfare giornalmente l'intero carico notturno attraverso le batterie anche nelle stagioni con una scarsa produzione solare. Per valutare questo, vengono creati modelli partendo dai dati reali di produzione e consumo italiani ora per ora e scenari vengono poi costruiti seguendo le diverse strategie proposte. I risultati ottenuti sono in termini di costi per la CO2 evitata (CCA) a parità di emissioni annuali assolute. Dal confronto emerge che l'idrogeno diventa una strategia conveniente quando l'obiettivo di riduzione imposto è superiore al 90% rispetto ai valori attuali. Inoltre, dai risultati si evince che se le limitazioni restano sotto il 50% è meglio non predisporre un sistema di accumulo, è più economico invece installare una maggior potenza fotovoltaica e sprecare parte dell'energia prodotta. Sono state condotte analisi di sensibilità con lo scopo di osservare l'effetto di una riduzione di prezzo delle varie tecnologie sugli scenari utilizzati. Studi futuri si potranno concentrare sull'individuazione della soluzione più vantaggiosa per accumulare l'idrogeno prodotto.