Hydrogen refueling station: state of the art and potential future components and processes for hydrogen vehicle refueling

The ongoing geopolitical crisis and the global goal of achieving net-zero emission by 2050, highlight the necessity to find viable alternatives resources of energy to the traditional fossil fuels. Among emerging energy sources, hydrogen is certainly a promising candidate with the potential to offer in multiple sectors viable solutions. In particular, it would have a significant role in decarbonizing road vehicle transportation that cannot be reached unless an adequate hydrogen infrastructure is put in place. It will be a valid alternative to battery electric vehicles (BEVs) especially when produced with renewable energy source (green hydrogen). The aim of this work is to examine and explain the key characteristics of hydrogen refueling stations (HRSs), which, together with the production and development of fuel cell electric vehicles (FCEVs), represent crucial points for accelerating the development of this sector. Due to the specific property of the hydrogen, each component must be carefully selected and sized with defined characteristics in order to respect the protocol denoted as SAE J2601. This standard sets important parameters for safe and efficient hydrogen vehicle refueling. Moreover, hydrogen involves significant energy consumption, starting from storage and compression to the pre-cooling before delivery into the vehicle tank. To optimize energy efficiency and reduce overall system costs, various station configurations are analyzed such as cascade/direct compression configuration as well as liquid hydrogen refueling stations. Safety remains a critical challenge in hydrogen infrastructure development. Significant research is ongoing to ensure safe refueling operations for consumers. In addition, this work provides an overview of the main hydrogen production methods and the global status of HRSs. Finally, economic assessments are presented for different station configurations.

Le crisi geopolitiche in corso e l’obiettivo globale di raggiungere emissioni nette pari a zero entro il 2050 evidenziano la necessità di trovare risorse energetiche alternative valide rispetto ai più tradizionali combustibili fossili. Tra le fonti di energia emergenti, l’idrogeno rappresenta un’alternativa promettente, con il potenziale di offrire soluzioni efficaci in molteplici settori. In particolare, potrebbe aiutare nella decarbonizzazione del trasporto su strada, un obiettivo che non può essere raggiunto senza un’adeguata infrastruttura per la produzione e distribuzione dell’idrogeno. Inoltre, rappresenterebbe un’alternativa valida ai veicoli elettrici a batteria (BEV), soprattutto se prodotto da fonti rinnovabili (idrogeno verde). L’obiettivo di questo lavoro è analizzare e illustrare le principali caratteristiche e il funzionamento delle stazioni di rifornimento di idrogeno, che, insieme alla produzione e allo sviluppo dei veicoli a idrogeno (FCEV), costituiscono elementi chiave per accelerare lo sviluppo di questo settore. A causa delle particolari proprietà dell’idrogeno, ogni componente deve essere selezionato e dimensionato con attenzione, secondo caratteristiche ben definite, al fine di rispettare il protocollo SAE J2601, che stabilisce parametri fondamentali per un rifornimento sicuro ed efficiente dei veicoli. Inoltre, l’uso dell’idrogeno richiede un notevole consumo energetico, partendo dallo stoccaggio e la compressione fino al raffreddamento prima del riempimento del veicolo. Per ottimizzare l’efficienza energetica e ridurre i costi complessivi del sistema, vengono analizzate diverse configurazioni, come la configurazione a cascata/compressione diretta e le stazioni di rifornimento a idrogeno liquido. La sicurezza rimane una sfida fondamentale nello sviluppo delle infrastrutture a idrogeno. Sono in corso numerose ricerche per garantire condizioni di rifornimento sicure per gli utenti. Inoltre, in questo lavoro è presente anche una panoramica dei principali metodi di produzione dell’idrogeno e della distribuzione delle stazioni di rifornimento a livello globale. Infine, vengono presentati esempi di valutazioni economiche relative a diverse configurazioni.