Hydrogen value chain : characterization and techno-economic analysis

The strong commitment toward carbon neutrality is a central pillar of global economies such as Europe. The target to be climate-neutral by 2050 must pass through circular economy, efficiency, renewables source of energies. It is right here that hydrogen is gathering a strong momentum as a key energy vector, especially in those sectors that are hard to electrify. It can be produced by different energy sources both in a renewable and non-renewable way. However, hydrogen accounts for less than 2% of Europe’s present energy consumption and today the 95% is produced in a non-renewable way by Steam Methane Reforming (SMR) of natural gas. Opportunities to capture the CO2 exist, but it would come at higher prices. Clean hydrogen can be produced by starting from renewable sources, such as renewable electricity, and today electrolysis of water is gaining most of the attention. However, the technology involved is not as mature as the SMR, and the green hydrogen cost would sharply increase. Green hydrogen could be produced at competitive prices in those regions with very favorable conditions of renewables, giving rise to a centralized model of hydrogen production. It follows that further steps after production are needed, such as storage and transportation, the key activities of the midstream. However, the main drawback of hydrogen is the very low volumetric energy density, requiring sophisticated methodologies to make the storage and transportation more economically viable. In order to increase the density of hydrogen, it can be compressed, liquefied or combined with other materials giving rise to new molecules with advantageous physical properties. The processes involved are very different among themselves but one critical trade-off stands out: the higher the density achieved, the higher the cost of the process (usually both in terms of inefficiencies and technology involved). Some processes are not mature though, such as liquid and material-based hydrogen, which leaves room for improvements on cost reduction. Hydrogen transportation would add on top of production costs and today is generally performed by trucks in pressurized tanks for short distances. Alternatively, other solutions are possible, but they strongly depend on the distance, the volume and the end-use. According to this, some general rules may apply: in case of small amounts and short distances, compressed hydrogen can be transported by truck; if the distances and volumes slightly increase trucks are still a viable option but with hydrogen stored as a liquid in order to lower the trucking cost per kg. For very large volumes and/or long distances, pipelines are ideal as the huge investment would be justified by the low cost of hydrogen transported. If hydrogen has to travel long intercontinental distances ships can be the solution, by transporting important quantities of liquefied hydrogen or ammonia. For road mobility applications, hydrogen must be distributed to the refueling station, representing the last stage of the value chain. The infrastructure is very capital intensive, heavily impacting the final cost of hydrogen at the pump. The main opportunities to drop the cost lie on higher utilization rates and big-scale stations in order to leverage on economies of scale. However today the market is in its early-stages and characterized by the presence of few FCEV, and the need to create high-capacity stations in order to benefit from economies of scale must be traded-off with the need to have a high utilization rate of the station itself, that is more difficult if it has a big capacity. It will be essential the support of a proper regulatory framework to help solving the chicken-egg dilemma in the transport sector, as well as along the entire value chain, establishing long-term signals to foster investors’ confidence and helping mitigate risks, fostering R&D and innovation, as well as stimulating commercial demand for hydrogen in multiple applications.

Il forte impegno verso la neutralità climatica è un pilastro centrale per economie globali come quella Europea. L'obiettivo per essere neutri dal punto di vista delle emissioni entro il 2050 deve passare attraverso l’economia circolare, efficienza energetica, fonti di energia rinnovabile. È proprio qui che l'idrogeno sta acquisendo un forte slancio come vettore energetico, specialmente in quei settori che sono difficili da elettrificare. Può essere prodotto da diverse fonti energetiche sia in modo rinnovabile che non rinnovabile. Tuttavia, l'idrogeno rappresenta meno del 2% dell'attuale consumo energetico europeo e oggi il 95% è prodotto in modo non rinnovabile dallo Steam Methane Reforming (SMR) del gas naturale. Esistono opportunità per catturare la CO2, ma ciò avverrebbe a prezzi più alti. L'idrogeno pulito può essere prodotto partendo da fonti rinnovabili, come l'elettricità rinnovabile, e oggi l'elettrolisi dell'acqua sta guadagnando la maggior parte dell'attenzione. Tuttavia, la tecnologia coinvolta non è matura come lo SMR ed il costo dell'idrogeno verde aumenterebbe notevolmente. L'idrogeno verde potrebbe essere prodotto a prezzi competitivi in quelle regioni con condizioni di energie rinnovabili molto favorevoli, dando vita a un modello centralizzato di produzione di idrogeno. Ne consegue che sono necessari ulteriori passaggi dopo la produzione, come lo stoccaggio ed il trasporto, ossia le cosiddette attività centrali del midstream. Tuttavia, il principale svantaggio dell'idrogeno è il bassissimo contenuto energetico per unità di volume, che richiede sofisticate metodologie per rendere lo stoccaggio ed il trasporto più economicamente sostenibili. Per aumentare la densità dell'idrogeno, esso può essere compresso, liquefatto o combinato con altri materiali dando origine a nuove molecole con proprietà fisiche vantaggiose. I processi coinvolti sono molto diversi tra loro ma spicca un compromesso chiave: maggiore è la densità raggiunta, maggiore è il costo del processo (solitamente sia in termini di inefficienze che di tecnologia coinvolta). Tuttavia, alcuni processi non sono maturi, come l'idrogeno liquido e lo stoccaggio basato su materiali, che lascia spazio a miglioramenti nella riduzione dei costi. Il trasporto dell'idrogeno si aggiungerebbe ai costi di produzione e oggi viene generalmente effettuato da camion in serbatoi pressurizzati per brevi distanze. In alternativa sono possibili altre soluzioni, ma dipendono fortemente dalla distanza, dal volume e dall'uso finale. In base a ciò, possono essere applicate alcune regole generali: in caso di piccole quantità e brevi distanze, l'idrogeno compresso può essere trasportato su camion; se le distanze ei volumi aumentano leggermente, i camion sono ancora un'opzione praticabile ma con l'idrogeno immagazzinato in stato liquido per abbassare il costo di trasporto per kg. Per volumi molto grandi e / o lunghe distanze, i gasdotti sono ideali in quanto l'enorme investimento sarebbe giustificato dal basso costo dell'idrogeno trasportato. Se l'idrogeno deve percorrere lunghe distanze intercontinentali, le navi possono essere la soluzione, trasportando importanti quantità di idrogeno liquefatto o sotto forma di ammoniaca. Per le applicazioni di mobilità su strada, l'idrogeno deve essere distribuito presso le stazioni di rifornimento, che rappresentano l'ultima fase della catena del valore. L'infrastruttura è ad alta intensità di capitale, con un forte impatto sul costo finale dell'idrogeno alla pompa. Le principali opportunità per ridurre i costi risiedono su tassi di utilizzo più elevati e stazioni di grandi dimensioni per sfruttare le economie di scala. Tuttavia, ad oggi il mercato è nelle sue fasi iniziali e caratterizzato dalla presenza di pochi FCEV, e la necessità di creare stazioni ad alta capacità per beneficiare di economie di scala deve essere bilanciata con la necessità di avere un alto tasso di utilizzo della stazione stessa, che è più difficile se ha una grande capacità. Sarà essenziale il supporto di un quadro normativo adeguato per aiutare a risolvere il dilemma dell'uovo e della gallina nel settore dei trasporti, nonché lungo l'intera catena del valore, stabilendo segnali a lungo termine per promuovere la fiducia degli investitori e aiutando a mitigare i rischi, promuovendo la R&S ed innovazione, oltre a stimolare la domanda commerciale di idrogeno in molteplici applicazioni.