Regional modelling of the Italian energy system in long-term scenarios : towards high-RES shares through sector coupling with hydrogen exploitation

Climate changes due to the anthropic impact on the environment are the greatest global challenge of the 21st century. Among the several studied technologies to tackle this emergency, the increased exploitation of renewable energy sources represents a key pattern that most countries have decided to follow, according to the global and European treaties and national plans. In a scenario of evolving interconnections between energy vectors and final use sectors, modelling techniques for accurate numerical simulations are essential instruments to support governmental decision-making processes. This work entails the upgrade of an existent model for the study of the Italian energy system in a long-term horizon (2050), which clustered the country into six macrozones corresponding to the electricity market zones. The upgraded model deepens the spatial resolution to the twenty regions, applying a multi-nodal model for the hourly simulation of the energy system, integrating power, mobility and natural gas demand by end user sectors. High renewable share scenarios are forecasted by an ambitious power installation campaign mainly based on solar and wind sources, as well as electricity conversion into hydrogen exploiting electrolysers and storage systems. Three main energy vectors are modelled (electricity, natural gas, and hydrogen), with the corresponding infrastructures. The power grid provides the meeting between electricity generation and load on hourly base, in each region, as well as the excess management. This is accomplished by drawing electricity storage capacity (PHS systems, V2G strategy and/or BESS) and hydrogen generation through Power-to-Hydrogen systems. The second infrastructure is the natural gas network, enhancing the natural gas transport, and hydrogen blends to fuel combined cycles and/or end users (civil and industrial) demand. A hydrogen network represents the third infrastructure, and it guarantees a pathway for this vector in pure form, to feed the mobility sector demand, or others. The forecasted status of the mobility sector is representative of a massive ZEVs penetration into the road vehicle market through Plug-in Hybrid, Battery, and Fuel Cell electric technologies. Pure-electric vehicles are preferred for light duty vehicles, whereas hydrogen is a relevant fraction in the heavy-duty vehicle fleet. A hybrid configuration between electricity and hydrogen describes the passenger car stock. The goal of this work is to explore the feasibility of three Italian future scenarios characterized by very high renewable shares, up to 100 %. The analyses involve: source and land availability for power plant installations; massive use of hydrogen as instrument to store excess energy, exploring the seasonality effect on it; required repowering of already existing combined cycle power plants to accept hydrogen or its blend with natural gas as fuel; energy self-sufficiency; critical issues of the energy transport infrastructure prone to inter-regional limits.

I cambiamenti climatici conseguenti all’impatto antropico sull’ambiente risultano, ad oggi, tra le principali sfide del ventunesimo secolo. Tra le tante tecnologie studiate per affrontare questa emergenza, le rinnovabili rappresentano uno strumento chiave che molti paesi hanno deciso di intraprendere e ciò è testimoniato dai trattati Europei e dai piani energetici nazionali. In uno scenario in cui si prevede una crescente connessione tra vettori energetici e utenza finale, risulta fondamentale l’uso di tecniche di modellizzazione e simulazione numerica come strumento di supporto ai governi per l’adozione di adeguate strategie energetiche. Questo lavoro riguarda il miglioramento di un modello già esistente che studia il sistema energetico italiano nel lungo termine (2050), raggruppandola in sei macro-zone corrispondenti alle zone elettriche di mercato. Il nuovo modello invece approfondisce la dimensione spaziale alle venti regioni, applicando un modello multinodale per la simulazione oraria del sistema energetico, coinvolgendo generazione, mobilità e domanda termica degli utenti. Scenari ad alta penetrazione di rinnovabili sono simulati mediante una massiccia campagna di installazione basata principalmente su solare ed eolico per la generazione, più l’utilizzo di stoccaggi elettrici ed idrogeno sfruttando l’elettrolisi. I vettori energetici adoperati sono elettricità, gas naturale e idrogeno ed ognuno è caratterizzato da una specifica infrastruttura. La rete elettrica è funzionale all’equilibrio tra generazione, domanda e gestione dell’eccesso su base oraria, in ogni regione. Ciò è realizzato mediante l’utilizzo di stoccaggi elettrici (impianti idrici, V2G and/o batterie) e la conversione in idrogeno stoccato nel sottosuolo mediante installazione di elettrolizzatori. La seconda infrastruttura è la rete del gas naturale, adoperata per il passaggio di gas naturale, idrogeno puro o la rispettiva miscela, utilizzata per alimentare i cicli combinati e/o utenti appartenenti al settore civile ed industriale. La terza infrastruttura è destinata unicamente al passaggio di idrogeno puro per lo scambio interregionale, la richiesta del settore mobilità e la copertura di altri settori. Riguardo la mobilità, il lavoro ipotizza l’introduzione massiccia di veicoli ZEV nel mercato, sfruttando le tecnologie ibride Plug-in, batterie e celle a combustibile. I veicoli elettrici puri sono adoperati principalmente per veicoli commerciali leggeri, l’idrogeno maggiormente per quelli pesanti. Entrambe le risorse rientrano in modo predominante nel mercato dei veicoli passeggeri. L’obiettivo di questo lavoro è esplorare la fattibilità di tre scenari del sistema energetico italiano nel 2050, caratterizzati da alta percentuale di rinnovabile, fino al 100 %. Le analisi comprendono: disponibilità di risorsa e suolo per l’installazione; uso dell’idrogeno come sistema di stoccaggio, indagandone l’effetto stagionalità, riqualificazione del parco fossile per la combustione di idrogeno o la miscela con gas naturale; indipendenza energetica, criticità nella capacità di trasporto dei vettori energetici tra le regioni.