Hydrogen supply chain integration into the Italian energy context using Hypatia: an energy system modeling framework

The infrastructure of hydrogen poses several challenges and barriers that need to be solved for a smooth transition to a future hydrogen economy. The abundance of technical alternatives for manufacturing, storage, transportation, and end users is mostly to blame for these difficulties. This being the case, it is crucial to comprehend and examine the hydrogen supply chain (HSC) beforehand in order to identify the significant components that may become increasingly critical in achieving the ideal configuration. Italy has set a working strategy to develop a hydrogen economy by 2050 to reduce GHG emissions, increase energy security and create new jobs and opportunities. The strategy expects hydrogen to cover 20% of Italy’s final energy demand by 2050. With this in mind, this work aims at developing an Italian energy integrated model using Hypatia, implementing the emerging processes included in the value chain of hydrogen in the Italian context. The model is set on the solution of a linear optimization problem, pursuing the optimization of the energy production processes through the minimization of the total cost of the supply chain. The developed tool is suitable for analyzing different hydrogen scenarios, returning the dispatched installed capacity for each technology and the required amount of investment. Different production technologies have been considered along with different pathways. In all cases, with production cost above 2 Euro/KgH2, domestic green hydrogen production- excluding policy support- will not be cost-competitive with alternative decarbonized options such as blue hydrogen, especially in the early 2030s with coal gasification being the most economically convenient technology. Moreover, achieving the green hydrogen potential announced in the Italian hydrogen strategy, almost twice the renewable energy capacity needed to be built by 2030.

L'infrastruttura dell'idrogeno pone diverse sfide e barriere che devono essere risolte per una transizione senza problemi verso una futura economia dell'idrogeno. L'abbondanza di alternative tecniche per la produzione, lo stoccaggio, il trasporto e gli utenti finali è la causa principale di queste difficoltà. Per questo motivo, è fondamentale comprendere ed esaminare in anticipo la filiera dell'idrogeno (HSC) per identificare le componenti significative che possono diventare sempre più critiche per raggiungere la configurazione ideale. L'Italia ha definito una strategia operativa per sviluppare un'economia dell'idrogeno entro il 2050 per ridurre le emissioni di gas serra, aumentare la sicurezza energetica e creare nuovi posti di lavoro e opportunità. La strategia prevede che l'idrogeno copra il 20% della domanda finale di energia dell'Italia entro il 2050. In quest'ottica, il presente lavoro mira a sviluppare un modello energetico integrato italiano utilizzando Hypatia, implementando i processi emergenti inclusi nella catena del valore dell'idrogeno nel contesto italiano. Il modello è impostato sulla soluzione di un problema di ottimizzazione lineare, che persegue l'ottimizzazione dei processi di produzione di energia attraverso la minimizzazione del costo totale della filiera. Lo strumento sviluppato è adatto ad analizzare diversi scenari di idrogeno, restituendo la capacità installata dispacciata per ogni tecnologia e l'ammontare degli investimenti richiesti. Sono state considerate diverse tecnologie di produzione e diversi percorsi. In tutti i casi, con un costo di produzione superiore a 2 euro/KgH2, la produzione nazionale di idrogeno verde - escludendo il supporto delle politiche - non sarà competitiva dal punto di vista dei costi con opzioni alternative decarbonizzate come l'idrogeno blu, soprattutto nei primi anni 2030, quando la gassificazione del carbone sarà la tecnologia economicamente più conveniente. Inoltre, per raggiungere il potenziale di idrogeno verde annunciato nella strategia italiana sull'idrogeno, è necessario costruire quasi il doppio della capacità di energia rinnovabile entro il 2030.