Electrifying hydrogen production : a multi-scenario techno-economic analysis

This M.Sc. Thesis deals with the electrification of the Hydrogen production industry in Italy. Nowadays, Hydrogen gas is mainly produced through processes involving the transformation of fossil raw materials, consisting mainly of natural gas and coal; they provide roughly 98 % of the current worldwide pure Hydrogen demand, emitting a significant amount of CO2 in the atmosphere as a side effect. Alternative processes exploiting Carbon Capture, Storage and Utilization technologies, and H2O electrolysis have been developed; the ultimate goal of these technologies is to find a different, less impacting route for the production of this chemical, but their diffusion is limited by the high costs and the intrinsic inefficiencies typical for such configurations. At the same time, the power grids across Europe are experiencing a rapid penetration of renewable technologies in the energy mix of each nation, with countries such as Italy having as much as 40 % of the national demand covered by zero-carbon electricity coming from said systems. Moreover, the technological advancement that these types of renewable technologies are experiencing is leading to cheaper solutions that can be more easily implemented. The electrification of the Hydrogen industry is a concept that tries to take advantage of these phenomena by proposing electrified versions of conventional processes to obtain feasible, efficient routes for the production of Hydrogen while reducing the associated CO2 emissions. The thesis work is divided into two main parts, each having its own goal. First, several processes starting from many different raw materials are modeled both according to a layout based on conventional technologies and a layout based on the concepts of process electrification, which are introduced in the work itself. Many different electrification scenarios are proposed, each having a different quota of electricity produced in-situ from renewable power plants, from 0 % to more than 100 %; moreover, different renewable technologies are tested to analyze their performances. Secondly, the developed processes are analyzed from an economic point of view to determine the most promising feedstocks; the best plants are then subjected to a detailed financial analysis that highlights the best scenarios for each selected process while evaluating their economic feasibility. The work ends with the comparison of the economic and environmental performances of the proposed electrified processes with the corresponding conventional versions and with alternative technologies for Hydrogen production currently available on the market, such as H2O electrolysis.

La presente Tesi di Laurea Magistrale si occupa dell'elettrificazione dell'industria di produzione dell'Idrogeno in Italia. Al giorno d'oggi, l'Idrogeno gassoso viene prodotto principalmente attraverso processi di trasformazione di materie prime fossili, costituite principalmente da gas naturale e carbone; esse forniscono circa il 98 % dell'attuale domanda mondiale di idrogeno puro, emettendo come effetto collaterale una quantità significativa di CO2 in atmosfera. Sono stati sviluppati processi alternativi che sfruttano le tecnologie di Carbon Capture, Storage and Utilization e l'elettrolisi dell'H2O; l'obiettivo finale di queste tecnologie è trovare una via alternativa e meno impattante per la produzione di questa sostanza chimica, ma la loro diffusione è limitata dagli alti costi e dalle inefficienze intrinseche tipiche di tali configurazioni. Allo stesso tempo, le reti elettriche di tutta Europa stanno vivendo una rapida penetrazione delle tecnologie rinnovabili nel mix energetico di ogni nazione, con paesi come l'Italia che hanno ben il 40 % della domanda nazionale coperta da elettricità a zero-emissioni proveniente da tali sistemi. Inoltre, l'avanzamento tecnologico che questi tipi di tecnologie rinnovabili stanno vivendo sta portando a soluzioni più economiche che possono essere implementate più facilmente. L'elettrificazione dell'industria dell'Idrogeno è un concetto che cerca di sfruttare questi fenomeni proponendo versioni elettrificate di processi convenzionali con l'obiettivo di ottenere vie fattibili ed efficienti per la produzione di Idrogeno riducendo le emissioni di CO2 associate. Il lavoro di tesi è diviso in due parti principali, ognuna con un proprio obiettivo. In primo luogo, diversi processi basati su varie materie prime diverse tra loro sono modellati sia secondo un layout basato su tecnologie convenzionali sia secondo un layout basato sui concetti di elettrificazione dei processi, che sono introdotti nel lavoro stesso. Vengono proposti diversi scenari di elettrificazione, ognuno con una diversa quota di elettricità prodotta in situ da impianti di energia rinnovabile, dallo 0 % a più del 100 %; inoltre, vengono testate diverse tecnologie rinnovabili per analizzare le loro prestazioni. In secondo luogo, i processi sviluppati sono analizzati da un punto di vista economico per determinare le materie prime più promettenti; i migliori impianti sono poi sottoposti a una dettagliata analisi finanziaria che evidenzia i migliori scenari per ogni processo selezionato, valutandone la fattibilità economica. Il lavoro si conclude con il confronto delle prestazioni economiche e ambientali dei processi elettrificati proposti con le corrispondenti versioni convenzionali e con le tecnologie alternative per la produzione di idrogeno attualmente disponibili sul mercato, come l'elettrolisi dell'H2O.