An optimization model of the hydrogen supply chain: simulation and recommendations in the italian context

The current status about the globe’s carbon footprint is deeply challenging the future availability of World’s natural resources. Government authorities, market players and institutions are paving the way to new applications and processes that can be adopted in order to replace the structural dependence of industries to traditional but scarce resources. In the latest years, on the top of this path hydrogen can also be found. Its molecular properties, such as the ability to convey energy and store it without incurring any negative emission, establish its crucial role in the decarbonization of many industries. The wide range of applicability options of this net-zero solution opens the path to just as many areas of improvements and studies. As a matter of fact, hydrogen integration into industry systems requires the development of very detailed technological and structural configuration. The degree of complexity of every tier of Hydrogen Supply Chains is increased by both the wide variety and mutual interconnectivity of technological offer and the limitations on material handling due to very low energetical density. Even the scarcity of easily accessible and reliable data, such as demand profiles, is a common issue hard to be solved. Therefore, most of the works about supply chain configuration focus their targets on the optimization of one single tier or technology at the time, relying on strong assumptions to overcome lacks data. This thesis aims to address every single configurational problem that emerges in the design of green Hydrogen Supply Chain. Through the employment of an original method for profiling demand based on lateral data, the model proposed, structured into two modules, optimizes on costs positions, sizes and allocations of every infrastructural mean. The final goal will be reached with the selection of the best Supply Chain configuration with the best technological combination. The novelty element is represented by the ability to combine overall supply chain network design and detailed demand profiling inside a single comprehensive model that relies on light and widely accessible set of input data. The model application is targeted to the employment of hydrogen in the heavy transportation industry on the Italian highways, that have been treated with “Quantum Geographical Information System”, in order to work with a georeferenced level of precision. The results display the Polymer Exchange Membrane electrolyzer as production mean combined with Compressed Hydrogen transportation and storage as the best technological combination. The optimized configuration has 7 production facilities, 15 regional storages and 235 hydrogen refueling stations. The unitary hydrogen costs for the complete pathway are in line with common results from literature founding, in a way, the ability of the model to merge demand profiling problems with overall supply chain design complexity. Anyway, the idea of deconstructing the modeling into two sections, even though increasing the level of customization achievable, results into structural rigidity that partially limits the responsiveness. In the end are presented some potential developments that may enrich the value of the work, such as the concept of a semi-full-decentralized scenario based on on-site production of hydrogen as well as road transportation towards non-productive refueling stations.

Lo stato attuale riguardo alle emissioni globali di anidride carbonica sta mettendo profondamente in discussione la futura disponibilità di risorse naturali del mondo. Autorità governative, operatori di mercato e istituzioni stanno aprendo la strada a nuove applicazioni e processi che possono essere adottati per sostituire la dipendenza strutturale delle industrie dalle risorse tradizionali. Negli ultimi anni, in cima a questo percorso, si trova anche l'idrogeno. Le sue proprietà molecolari, come la capacità di trasportare l'energia e immagazzinarla senza produrre emissione alcuna, gli conferiscono un ruolo cruciale nella decarbonizzazione di molte industrie. La vasta gamma di opzioni di applicabilità di questa soluzione a emissioni zero, apre la strada ad altrettante aree di miglioramento e studio. In effetti, l'integrazione dell'idrogeno nei sistemi industriali richiede lo sviluppo di configurazioni tecnologiche e strutturali molto dettagliate. Il grado di complessità di ogni livello delle catene di approvvigionamento dell'idrogeno è aumentato a causa sia dalla vasta varietà e interconnessione reciproca dell'offerta tecnologica, sia dalle limitazioni nella gestione del materiale dovute a una densità energetica molto bassa. Anche la scarsità di dati facilmente accessibili e affidabili, come i profili di domanda, è un problema comune difficile da risolvere. Pertanto, la maggior parte dei lavori sulla configurazione della catena di approvvigionamento dell’idrogeno si concentra sull'ottimizzazione di un singolo livello o tecnologia alla volta, facendo affidamento su forti ipotesi per superare le carenze di dati. Questa tesi si propone di affrontare ogni singolo problema di configurazione che emerge nella progettazione della catena di approvvigionamento di idrogeno verde. Attraverso l'impiego di un metodo originale per il calcolo di previsione della domanda basato su dati laterali, il modello proposto, strutturato in due moduli, ottimizza le posizioni, le dimensioni e le allocazioni di ogni infrastruttura, minimizzandone i costi. L'obiettivo finale verrà raggiunto con la selezione della migliore configurazione della catena di approvvigionamento con la migliore combinazione tecnologica. L'elemento di novità è rappresentato dalla capacità di combinare la progettazione complessiva della rete di approvvigionamento e il dettagliato disegno dell’andamento della domanda all'interno di un singolo modello esaustivo, che si basa su un insieme leggero e ampiamente accessibile di dati di input. L'applicazione del modello è mirata all'impiego dell'idrogeno nell'industria del trasporto pesante sulle autostrade italiane, che sono state trattate con il "Quantum Geographical Information System" al fine di lavorare con un livello di precisione georeferenziato. I risultati mostrano l'elettrolizzatore a membrana a scambio polimerico come mezzo di produzione combinato con il trasporto e lo stoccaggio di idrogeno compresso come migliore combinazione tecnologica. La configurazione ottimizzata prevede 7 impianti di produzione, 15 depositi regionali e 235 stazioni di rifornimento di idrogeno. I costi unitari dell'idrogeno per l'intero percorso sono in linea con i risultati comuni della letteratura, dimostrando la capacità del modello di affrontare i problemi di profilazione della domanda insieme alla complessità generale della progettazione della catena di approvvigionamento. In ogni caso, l'idea di destrutturare la modellazione in due sezioni, anche se aumenta il livello di personalizzazione raggiungibile, comporta una rigidità strutturale che limita parzialmente la reattività. Alla fine, vengono presentati alcuni sviluppi futuri potenziali che possono arricchire il valore del lavoro, come il concetto di uno scenario semi-completamente decentralizzato basato sulla produzione on-site di idrogeno e il trasporto su strada verso stazioni di rifornimento non produttive.