Development of a georeferenced model for the optimal design of a hydrogen supply chain infrastructure

To face climate change, the European Union has issued a Green Deal plan that sets the target of zero net greenhouse gases emissions by 2050: to meet this target, the decarbonization of the transport sector is an essential achievement, as it accounts for more than 30% of CO2 emissions. Among the alternatives for low-carbon mobility, hydrogen-powered fuel cell electric vehicles (FCEVs) appear extremely competitive thanks to the extended mileage and the fast refuelling time. Within this framework, the present thesis work deals with the need to design a future hydrogen supply chain infrastructure for the distribution of hydrogen, which is essential to reach a massive deployment of FCEVs. In particular, the goal of assessing an optimal delivery infrastructure is pursued through the development of a modelling tool that combines detailed spatial data through a Geographic Information System (GIS) and a techno-economic optimization model accounting for the various components that constitute the supply chain. The candidate network topologies are constructed from detailed GIS data and provided as input to the optimization model, which allows to determine the cost-optimal infrastructure, considering a year-long time horizon with daily resolution. The developed model has been applied to the regional case study of Lombardy in Italy, considering a 2050 scenario in which FCEVs account for 25% of the vehicles stock share, 10% of today’s refuelling stations are equipped for hydrogen fuelling, and solar PV-fed electrolysis systems and steam methane reforming facilities with carbon capture and storage provide clean hydrogen production. The options included for transport are pipelines, compressed hydrogen trucks, and liquid hydrogen trucks. The resulting optimal infrastructure relies on a mix of the three transport modalities, evidencing the importance of an integrated assessment, with a predominance of pipelines and liquid hydrogen trucks. The average cost of hydrogen delivered to refuelling stations is 5.83 €/kg, while the investment required for the realization of the infrastructure is 6.1 G€, corresponding to approximately 1.6% of the region’s gross domestic product.

Con l’obiettivo di contrastare il cambiamento climatico, l’Unione Europea ha presentato il Green Deal europeo, il quale prevede che nel 2050 non siano più generate emissioni nette di gas a effetto serra: per il conseguimento di tale obiettivo, la decarbonizzazione del settore trasporti è un traguardo fondamentale, essendo questo responsabile di più del 30% delle emissioni di CO2. Tra le alternative per il raggiungimento di una mobilità pulita, i veicoli elettrici a fuel cell alimentati a idrogeno sono particolarmente competitivi grazie all’ampio range chilometrico e al ridotto tempo di rifornimento. In questo contesto, il presente lavoro di tesi affronta il bisogno della progettazione di una futura infrastruttura a idrogeno, essendo questa essenziale per raggiungere una diffusione massiccia di veicoli a idrogeno. In particolare, tale scopo è perseguito attraverso lo sviluppo di un modello che combini dati spaziali dettagliati attraverso un sistema informativo geografico (Geographic Information System, GIS) e un modello di ottimizzazione tecno-economica dei diversi componenti che costituiscono la filiera dell’idrogeno. La topologia delle reti di distribuzione candidate al trasporto di idrogeno è costruita a partire da dati GIS rappresentativi delle caratteristiche geografiche e territoriali, ed è fornita come input al modello di ottimizzazione, il quale permette di determinare la configurazione infrastrutturale più economica, considerando un orizzonte temporale lungo un anno con discretizzazione temporale giornaliera. Il modello sviluppato è stato applicato al caso di studio della regione Lombardia, considerando uno scenario al 2050 in cui i veicoli alimentati a idrogeno rappresentano il 25% del parco veicoli, il 10% delle attuali stazioni di rifornimento è equipaggiato per il rifornimento di idrogeno, e sistemi di elettrolisi alimentati da fotovoltaico e impianti di steam reforming da gas naturale con cattura di CO2 assicurano una produzione di idrogeno pulita. Le opzioni incluse per il trasporto sono condotte dedicate e carri bombolai per idrogeno gassoso, e camion cisterna criogenica per idrogeno liquido. La risultante infrastruttura ottimale è basata sull’impiego simultaneo di tutte le tecnologie di trasporto, evidenziando l’importanza di una valutazione integrata, con una predominanza di fornitura mediante condotte e camion cisterna criogenica. Il costo medio dell’idrogeno alle stazioni di rifornimento è pari a 5.83 €/kg, mentre l’investimento da sostenere per la realizzazione dell’infrastruttura è di 6.1 G€, e corrisponde a circa 1.6% del prodotto interno lordo della regione.