Optimization tool to assess hydrogen refueling stations location: a flow-capturing location model

The proposed study arises from the need to aid the decarbonization of the road freight sector, which is the most popular way of moving freight in Europe. Data shows that road transport, particularly in Italy, accounts for 58% of the total goods transported. This heavy reliance on road transport in Italy is supported by 6,700 kilometers of main highways, which are not only national freight corridors, but also key routes for international trade in the European Union (EU), with 4 out of 10 TEN-T transit corridors passing through. However, the Heavy-Duty Vehicles (HDVs), used to move goods, in the year 2022 released about 40 million tons of CO2, which is 25% of Italy’s entire transport emissions. Therefore, the EU set a 30% fleet-wide average reduction target for HDVs (i.e., a volume of ca. 54M tons of CO2 by 2030) and a minimum 2% share of zero or low-emission vehicles among new trucks. To this end, new energy vectors are being examined, and Hydrogen (H2) has been evaluated to replace fossil fuels in HDVs, thanks to its advantages in terms of reduced greenhouse gas emissions (GHG) and improved air quality. However, the widespread adoption of Heavy-Duty Fuel Cell Electric Vehicles (HD-FCEVs) in Italy, as in other EU nations, is hindered by the lack of Hydrogen Refueling Stations (HRSs). Therefore, the EU’s GBER, and consequently the PNRR in Italy, has outlined investments aimed to create a dedicated network for hydrogen, to support new HRSs to be deployed in key areas for HDVs and long-haul routes. Within this context, the current study aims to delineate the hydrogen funding initiatives and anticipated projects, in Italy, thus, to design a coastal expressway hydrogen supply chain network. Moreover, the goal is to assess the best locations where to place HRSs, along the highways and in compliance with the PNRR normative, exploiting the formulation of an optimization model, paired with a graph representation of the Italian hydrogen network. The formulated optimization model combines supply-side factors (such as hydrogen production centers, the capacity and the transportation logistics) with demand-side considerations (as the HDVs traffic patterns on the highways) to determine the optimal placement of HRSs. To handle the issue's complexity the use of Mixed-Integer Linear Programming (MILP) is adopted, in the form of a Flow-Capturing Location Model (FCLM). By formulating a parametric optimization model, that is tailored to the Italian network, this study offers a scalable solution to optimally locate HRSs, and to address the unique characteristics and availability challenges in Italy. Therefore, the aim of the study is to promote cooperation on hydrogen projects and strengthen international competitiveness, by modelling a tool able to help the future development direction regarding green hydrogen, and to provide theoretical support for the planning and construction of a hydrogen supply chain.

Il trasporto su strada è il modo più popolare per spostare le merci nell'UE, i dati mostrano che il trasporto su strada, in particolare in Italia, rappresenta il 58% del totale delle merci trasportate. Questa forte dipendenza dal trasporto su gomma, in Italia, è supportata da 6.700 chilometri di autostrade principali, che non sono solo corridoi merci nazionali, ma anche rotte chiave per il commercio internazionale nell'UE, con il passaggio di 4 corridoi di transito TEN-T su 10. Tuttavia, i veicoli pesanti (HDV), utilizzati per la movimentazione delle merci, nell'anno 2022 hanno rilasciato circa 40 milioni di tonnellate di CO2, pari al 25% dell'intera emissione dei trasporti in Italia. Pertanto, l'UE ha fissato un obiettivo di riduzione media del 30% per l'intera flotta di veicoli pesanti (ovvero un volume di circa 54 milioni di tonnellate di CO2 entro il 2030) e una quota minima del 2% di veicoli a zero o basse emissioni, tra i nuovi camion. A tal fine, sono studiati nuovi vettori energetici ed è stato valutato che l'idrogeno (H2) potrebbe sostituire i combustibili fossili nei veicoli pesanti, grazie ai suoi vantaggi in termini di riduzione delle emissioni di gas serra (GHG) e miglioramento della qualità dell'aria. Tuttavia, l'adozione diffusa di veicoli pesanti elettrici a celle a combustibile (HD-FCEV) in Italia, come in altre nazioni dell'UE, è ostacolata dalla mancanza di stazioni di rifornimento di idrogeno (HRS). Pertanto, il GBER dell'UE, e di conseguenza il PNRR in Italia, ha delineato investimenti volti a creare una rete dedicata per l'idrogeno, a supporto di nuove HRSs da implementare in aree chiave per i veicoli pesanti e le rotte a lungo raggio. In questo contesto, il presente studio mira a delineare le iniziative di finanziamento dell'idrogeno e i progetti previsti, in Italia, per realizzare una rete di filiera dell'idrogeno sulle superstrade costiere. Inoltre, l'obiettivo è quello di valutare la migliore ubicazione dove collocare le HRS, lungo le autostrade, nel rispetto della normativa PNRR, sfruttando la formulazione di un modello di ottimizzazione abbinato a una rappresentazione grafica della rete italiana dell'idrogeno. Il modello di ottimizzazione formulato combina fattori dal lato dell'offerta (come la posizione dei centri di produzione di idrogeno, la capacità e la logistica dei trasporti) con considerazioni dal lato della domanda (come i flussi di traffico dei veicoli pesanti lungo le autostrade), per determinare il posizionamento ottimale delle HRSs. Per gestire la complessità del problema, viene adottato l'uso della programmazione lineare mista intera (MILP) sotto forma di un modello di localizzazione a cattura del flusso (FCLM). Formulando un modello di ottimizzazione parametrica, successivamente adattato su misura per la rete italiana, questo studio offre una soluzione scalabile per localizzare in modo ottimale le HRS e per affrontare le caratteristiche uniche e le sfide di disponibilità dell’Idrogeno in Italia. Pertanto, l'obiettivo dello studio è quello di promuovere la cooperazione su progetti legati all’Idrogeno, e rafforzare la competitività internazionale sul tema, attraverso la modellazione di uno strumento in grado di fornire supporto teorico per la pianificazione e la costruzione di una filiera dell'idrogeno.