Analysis of hydrogen production technologies and related economic evaluations

Decarbonization of the energy supply is essential for future energy sustainability and global security. To achieve this goal, it is necessary to reduce or eliminate carbon dioxide emissions by substituting fossil fuels with renewable energy sources. Because of the fluctuating nature of the power supplied by these technologies, in the next future it will be necessary to adopt secondary energy sources which can be effectively and economically produced, stored and utilized. Hydrogen is one of the secondary energy sources, which produces no greenhouse gases by-products during its utilization, because the oxidation of hydrogen generates only water. Hydrogen can be produced from various kinds of primary energy sources, including renewables and non-renewables. Up to date, the most common production method is via steam reforming of natural gas, which however leads to carbon dioxide emissions. In this work the economic analysis of two production methods is performed. The first one involves the electrolysis of water powered by electricity produced by renewable energy sources: in this case the hydrogen produced is called Green. The second one utilizes the conventional and well-established natural gas steam reforming process, but carbon dioxide removal and sequestration are added in order to reduce the emissions: the product is called Blue hydrogen. The levelized cost method is used to assess the cost of producing Green and Blue hydrogen. Levelized costs of 7.41, 8.38 and 8.71 €/kg are calculated for Green hydrogen, whose electricity necessary for the electrolysis is supplied respectively by a wind power plant, a solar photovoltaic plant and from the grid through a power purchased agreement for the supply of renewable energy. A cost of 3.41 €/kg is obtained for the Blue hydrogen.

La decarbonizzazione dell'approvvigionamento energetico è essenziale per la futura sostenibilità energetica e la sicurezza globale. Per raggiungere questo obiettivo è necessario ridurre o eliminare le emissioni di anidride carbonica sostituendo i combustibili fossili con fonti di energia rinnovabile. A causa della natura fluttuante dell'energia fornita da queste ultime, nel prossimo futuro sarà necessario adottare fonti di energia secondarie che possano essere prodotte efficacemente ed economicamente, immagazzinate ed utilizzate. L'idrogeno è una delle fonti energetiche secondarie. Esso non produce sottoprodotti di gas serra durante il suo utilizzo, perché l'ossidazione dell'idrogeno genera solo acqua. L'idrogeno può essere prodotto da vari tipi di fonti di energia primaria, rinnovabili e non rinnovabili. Ad oggi, il metodo di produzione più diffuso è lo steam reforming del gas naturale, che però produce anidride carbonica. In questo lavoro viene svolta l'analisi economica di due metodi di produzione. Il primo prevede l'elettrolisi dell'acqua, in cui l’elettricità che alimenta il processo è prodotta da fonti rinnovabili: in questo caso l'idrogeno prodotto è chiamato Verde. Il secondo utilizza il tradizionale e consolidato processo di steam reforming del gas naturale, ma vengono aggiunti la cattura e il sequestro dell'anidride carbonica per ridurre le emissioni: il prodotto è chiamato idrogeno Blu. Il metodo del costo livellato viene utilizzato per valutare il costo di produzione dell'idrogeno Verde e Blu. Costi livellati di 7.41, 8.38 e 8.71 €/kg sono calcolati per l'idrogeno Verde, la cui energia elettrica necessaria per l’elettrolisi è fornita rispettivamente da un impianto eolico, da un impianto solare fotovoltaico e dalla rete tramite un contratto a lungo termine per la fornitura di energia rinnovabile. Un costo livellato di 3.41 €/kg è ottenuto per l’idrogeno Blu.