Performance analysis of green hydrogen production plants at utility level

Green hydrogen emerges as a key tool for the energy transition, especially in hard-to-abate sectors such as heavy industry. This energy vector can be produced with increasingly reliable and economical technologies, with a growing interest at the industrial scale. However, there are still difficulties, from logistical to bureaucratic as well as on the economic side, that slow down its diffusion. This thesis work analysed the Power-to-Hydrogen system of the Agnes Romagna project, one of the main projects to be implemented in Italy to produce green hydrogen. The work developed a model for the simulation of the hydrogen production system, which was used to investigate the performance of this system from defined input values. Initially, the case of the Agnes Romagna project is investigated considering the electricity availability data based on the production of the renewable energy, the technical characteristics of the electrolysers, the battery system and hydrogen storage. The required demand profile and a model for the evaluation of the LCOH (Levelized Cost Of Hydrogen) were also defined. The results showed that hydrogen production was sufficient to adequately power the electrolyser system and meet almost the entire demand, the 94%. Demand-supply failures occurred due to the scarcity of electricity availability and were mainly concentrated when wind production was lower. The LCOH obtained, of 7.57 €/kg, is slightly higher than current market values. Alternative scenarios were then analysed, altering various input. Therefore, the performance indicators were checked for changes in electrolyser installed power, hydrogen hourly demand, the ratio of power generation plants, and the size of the various storage types. These analyses confirmed the validity of the initial analyses, finding a compromise between LCOH and satisfied demand, indexes that usually have opposite behaviour. The main difference with respect to the base case occurred in the ratio between wind and photovoltaic power, with an optimal ratio around 2. As far as the optimisation of LCOH is concerned, the factor that has the greatest impact on its modification is the cost of electricity. A development of green hydrogen production will therefore necessarily pass through a very competitive cost of electricity used.

L’idrogeno verde si pone come uno strumento fondamentale per la transizione energetica, soprattutto dei settori hard-to-abate, come quello dell’industria pesante. Questo vettore energetico può essere prodotto con tecnologie sempre più affidabili ed economiche, con un interesse crescente anche a scala industriale. Esistono però tutt’ora delle difficoltà, dagli aspetti logistici a quelli burocratici, così come dal pinto di vista economico, che ne rallentano la diffusione. All’interno di questo lavoro di tesi si è andato ad analizzare il sistema di Power-to-Hydrogen del progetto Agnes Romagna, uno dei maggiori progetti che verranno realizzati in Italia per la produzione di idrogeno verde. Il lavoro ha sviluppato un modello per la simulazione della produzione di idrogeno, che è stato utilizzato per investigare le performance di questo sistema partendo da dei valori di input definiti. Inizialmente si è investigato il caso del progetto Agnes Romagna, considerando i dati di disponibilità elettrica basati sulla produzione degli impianti a energie rinnovabili, le caratteristiche tecniche degli elettrolizzatori, delle batterie e dello stoccaggio dell’idrogeno. È stato inoltre definito il profilo di domanda richiesto ed un modello per la definizione del LCOH (Levelized Cost Of Hydrogen). I risultati hanno mostrato una produzione di idrogeno tale da impegnare adeguatamente il sistema di elettrolizzatori e di poter soddisfare la quasi totalità della domanda, il 94 %, con disservizi principalmente concentrati quando la produzione eolica era minore. Il LCOH ottenuto, di 7.57 €/kg, è leggermente superiore ai valori correnti di mercato. Si è poi analizzato degli scenari alternativi. Si è perciò verificato l’andamento degli indicatori di performance al variare della potenza installata, della domanda oraria richiesta, del rapporto della potenza degli impianti di generazione di elettricità, e delle dimensioni dei vari tipi di storage. Da queste analisi si è potuta confermare la bontà delle analisi iniziali, trovando un compromesso fra LCOH e domanda soddisfatta, dati solitamente in disaccordo. La principale differenza rispetto al caso base si è verificata nel rapporto fra potenza eolica e fotovoltaica, con un valore di ottimo intorno a 2. Per quanto riguarda l’ottimizzazione del LCOH, il fattore che più impatta la sua modifica è il costo dell’elettricità. Uno sviluppo della produzione di idrogeno verde passerà perciò necessariamente per un costo dall’elettricità utilizzata competitivo.