Green hydrogen production and refuelling site for zero emission mobility : a techno-economic assessment

The purpose of this thesis was not only to design a station for the production and distribution of hydrogen (HRS) from solar energy (PV), but to investigate whether it is possible to produce green hydrogen today at competitive prices, overcoming the problem of intermittency of renewable sources. The H2Seas project aims to answer this question. The work starts from the idea of creating a hydrogen valley in the city of Taranto with a hydrogen production facility capable of supporting not only local land and sea-based fuel cell mobility, but also the Air Independent Propulsion (AIP) U212A submarine fleet that has its operational base in the city. The need to produce hydrogen only from solar energy with storage that can ensure that demand is met even during periods of lower production due to the intermittency of the source and from lower winter irradiation, required the realization of seasonal storage with a capacity of 4,700 kg at 450 and 930 bar. The high storage capacity results in high investment and unattractive performance of the HRS when fed by a PV plant sized for hydrogen production only. Therefore, in order to make the 1.4 MW HRS as a whole profitable it was necessary to install a 40 MWp (57.7 GWh) PV plant so as to generate a profit from the sale of energy to the grid so as to ensure the sustainability and profitability of the project as a whole, ensuring the price competitiveness of green hydrogen. Therefore, the study showed that it is possible to sell hydrogen at a competitive market price of 5.5 €/kg H2, equivalent to a full tank of gasoline with the same energy content. Under these conditions, the higher cost of hydrogen production (LCOH of 7.72 €/kg H2) compared to the market sale value (5.5 €/kg H2) is offset by the revenues generated from the sale of electricity to the grid at 90 €/MWh (LCOE equals to 34.11 €/MWh). In this project, every single component of the plant has been subjected to in-depth technical-economic evaluation, including interaction with some producers to provide data as real as possible. Furthermore, throughout the paper, the current national decree for the installation of hydrogen refuelling stations is introduced, which is particularly restrictive in design choices. Since safety assessments of the installation are also required, the results of analytical studies are presented to determine the safety distances and failure probabilities of each element of the installation. A comparison with the Italian standard was then made and a possible scaled layout was identified for the actual safety distances required. A computational model was used to process the data and conduct sensitivity analyses on the main economic and technical variables identified.

Lo scopo di questa tesi non è stato solo quello di progettare una stazione di produzione e distribuzione di idrogeno (HRS) da energia solare (PV), ma di verificare se oggi è possibile produrre idrogeno verde a prezzi competitivi, superando il problema dell’intermittenza delle fonti rinnovabili. Il progetto H2Seas si pone l’obiettivo di rispondere a questa domanda. Il lavoro parte dall’ipotesi di realizzare una hydrogen valley nella città di Taranto con un impianto di produzione idrogeno in grado di supportare non solo la mobilità a fuel cell terrestre e marittima locale, ma anche la flotta di sommergibili Air Indipendent Propulsion (AIP) U212A che ha nella città la propria base operativa. La necessità di produrre idrogeno solo da energia solare con uno stoccaggio in grado di garantire il soddisfacimento della domanda anche nei periodi di minore produzione per l’intermittenza della fonte e dal minore irraggiamento invernale, ha richiesto la realizzazione di uno stoccaggio stagionale con una capacità di 4.700 kg a 450 e 930 bar. L’elevata capacità di stoccaggio comporta elevati investimenti ed un rendimento dell’HRS poco attraente se alimentato da un impianto PV dimensionato per la sola produzione idrogeno. Pertanto, per rendere l’HRS da 1,4 MW nel suo complesso profittevole è stato necessario installare un impianto fotovoltaico da 40 MWp (57,7 GWh) in modo tale da generare un profitto dalla vendita di energia alla rete così da garantire la sostenibilità e redditività del progetto nel suo complesso, assicurando la competitività del prezzo dell'idrogeno verde. Pertanto, lo studio ha dimostrato che è possibile vendere idrogeno ad un prezzo competitivo sul mercato di 5,5 €/kg H2, equivalente ad un pieno di benzina a parità di contenuto energetico. In queste condizioni, il maggiore costo di produzione dell’idrogeno (LCOH pari a 7,72 €/kg H2) rispetto al valore di vendita sul mercato (5,5 €/kg H2) è compensato dai ricavi generati dalla vendita di energia elettrica alla rete a 90 €/MWh (con LCOE pari a 34,11 €/MWh). In questo progetto ogni singolo componente dell’impianto è stato oggetto di approfondita valutazione tecnico-economica, anche con l’interazione con alcuni produttori per fornire dati il più possibile reali. Inoltre, nel corso del documento, viene introdotto l'attuale decreto nazionale per l'installazione di stazioni di rifornimento di idrogeno, che è particolarmente vincolante nelle scelte di progettazione. Poiché sono richieste anche valutazioni sulla sicurezza dell'impianto, vengono presentati i risultati di studi analitici per determinare le distanze di sicurezza e le probabilità di guasto di ciascun elemento dell'impianto. È stato quindi fatto un confronto con lo standard italiano e individuato un possibile layout in scala per le effettive distanze di sicurezza richieste. Una pagina di calcolo ha permesso di elaborare i dati e di condurre analisi di sensibilità sulle principali variabili economiche e tecniche identificate.