Technical, economic and regulatory analysis of the hydrogen value chain: production, storage, integration and use within the european energy market

The urgent need to tackle climate change and reduce greenhouse gas emissions has pushed global economies toward achieving carbon neutrality by 2050. However, electrification based solely on renewable energy sources is insufficient to decarbonize hard-to-abate sectors such as steel, chemicals, cement, and heavy transport, where direct electrification remains technically difficult or economically unsustainable. In this context, hydrogen emerges as a strategic energy carrier due to its ability to serve as fuel, feedstock, and energy storage system. Academic research initially focused on “grey” hydrogen produced from fossil fuels, before shifting toward low-emission alternatives: “blue” hydrogen, combined with carbon capture and storage (CCS), and “green” hydrogen or RFNBO, generated through water electrolysis powered by renewable energy. Existing studies examine electrolysis technologies (alkaline, PEM, SOEC, and AEM), comparing their efficiency, OPEX, and CAPEX, but often treat technical aspects separately from economic, regulatory, and safety considerations. This thesis adopts an integrated approach that connects market evolution, technological innovation, and European policies. The work is divided into seven chapters. The first analyzes the hydrogen market and REPowerEU targets; the second compares production technologies; the third focuses on transport and storage challenges; the fourth evaluates industrial applications through the Clean Hydrogen Ladder framework; the fifth examines safety issues; the sixth investigates the European regulatory framework; and the seventh analyzes the Italian case, focusing on the PNRR, Hydrogen Valleys, and the economic sustainability of hydrogen projects through indicators such as LCOH and payback period.

La necessità di contrastare il cambiamento climatico e ridurre le emissioni ha spinto le economie globali verso la neutralità carbonica entro il 2050. Tuttavia, la sola elettrificazione da fonti rinnovabili non è sufficiente a decarbonizzare i settori hard-to-abate, come siderurgia, chimica, cemento e trasporti pesanti, dove l’elettrificazione diretta è complessa o economicamente limitata. In questo contesto, l’idrogeno emerge come vettore energetico strategico grazie alla sua capacità di fungere da combustibile, materia prima e sistema di accumulo energetico. La letteratura si è inizialmente concentrata sull’idrogeno “grigio”, prodotto da combustibili fossili, per poi orientarsi verso soluzioni a basse emissioni: idrogeno “blu”, con cattura della CO₂, e idrogeno “verde” o RFNBO, ottenuto tramite elettrolisi alimentata da fonti rinnovabili. Gli studi analizzano le tecnologie di elettrolisi (alcalina, PEM, SOEC e AEM), valutandone efficienza, OPEX e CAPEX, ma spesso separano gli aspetti tecnici dalle dinamiche economiche, normative e di sicurezza. Questa tesi propone un approccio integrato che collega evoluzione del mercato, innovazione tecnologica e politiche europee. L’elaborato si articola in sette capitoli: il primo analizza il mercato dell’idrogeno e gli obiettivi REPowerEU; il secondo confronta le tecnologie produttive; il terzo affronta trasporto e stoccaggio; il quarto valuta le applicazioni industriali tramite la Clean Hydrogen Ladder; il quinto approfondisce la sicurezza; il sesto esamina il quadro normativo europeo; il settimo analizza il caso italiano, con focus su PNRR, Hydrogen Valleys e sostenibilità economica dei progetti tramite indicatori come LCOH e payback period.