Technical and environmental assessment of hydrogen refueling station

The increasing demand for sustainable energy solutions highlights the importance of hydrogen as a potentially clean fuel for transportation. In this context, hydrogen refueling stations (HRS) have the crucial role to make hydrogen-powered vehicles practical for everyday usage. In this thesis, state of the art HRS technology is analyzed, with the goal of defining a reference design for a medium-capacity station, which is supplied via tube trailers and is capable of dispensing approximately 500 kg of hydrogen daily. A dynamic model based on such design is developed to compute the energy consumption and performance of key HRS components, including compression, cascade storage, and pre-cooling systems, under different operational scenarios and testing various configurations. The results are used to assess the dispensed hydrogen’s carbon footprint, evaluating compliance with EU Renewable Energy Directive (RED) III regulations, and to estimate the final levelized cost of hydrogen (LCOH). The selected HRS configuration has an electricity demand of 3,62 kWh per kg of dispensed hydrogen. Associated greenhouse gas (GHG) emissions depend on the electricity source, as different EU national grids are evaluated, leading to the HRS contributing to between 2 % and 76 % of the RED III emissions threshold, respectively in the worst and best scenario. LCOH at the dispenser heavily depends on station operating days, as, even in an optimized scenario, the HRS has an impact on costs comparable to that of the production stage.

L’aumento della richiesta di soluzioni energetiche sostenibili mette in luce l’importanza dell’idrogeno come possibile combustibile pulito per il settore dei trasporti. In questo contesto, le stazioni di rifornimento di idrogeno (HRS) svolgono un ruolo cruciale nel rendere possibile l’utilizzo quotidiano di veicoli alimentati a idrogeno. In questa tesi viene analizzata la tecnologia attuale delle HRS, con l’obiettivo di definire un design di riferimento per una stazione di media capacità, rifornita tramite rimorchi con tubi di idrogeno e in grado di erogare circa 500 kg di idrogeno al giorno. Sulla base di questo design, è stato sviluppato un modello dinamico per calcolare il consumo energetico e le prestazioni dei principali componenti della HRS, tra cui sistemi di compressione, stoccaggio e raffreddamento, considerando diversi scenari operativi e testando varie configurazioni. I risultati ottenuti sono stati utilizzati per valutare l’impronta di carbonio dell’idrogeno erogato dalla HRS, verificandone la conformità alle normative della Renewable Energy Directive (RED) III dell’UE, e per stimarne il costo livellato (LCOH). La configurazione selezionata per la HRS presenta una domanda di energia elettrica di 3,62 kWh per kg di idrogeno erogato. Le emissioni di gas serra (GHG) associate dipendono dalla fonte di elettricità, perciò vengono effettuate valutazioni su diverse reti nazionali dell’UE. In base al mix energetico considerato, il contributo della HRS alle emissioni varia tra il 2 % e il 76 % della soglia massima prevista dalla RED III, rispettivamente negli scenari migliore e peggiore. Il LCOH dipende strettamente dal numero di giorni operativi della stazione, che, anche in uno scenario ideale, ha un impatto sui costi comparabile alla fase di produzione.