Impatto idrico dei processi di produzione di idrogeno a basse emissioni

The ongoing climate crisis requires a rapid decarbonization of the energy and industrial sectors, aiming for carbon neutrality by 2050. In this context, the sustainable hydrogen is expected to play a central role, as a key energy carrier for decarbonizing hard-to-abate sectors and industries where direct electrification is difficult. The main technologies for low-carbon hydrogen production are steam reforming of natural gas with carbon capture and storage (known as blue hydrogen) and electrolysis fed by renewable electricity (green hydrogen). Although they can strongly reduce greenhouse gas emissions compared with the conventional technology (steam reforming, known as grey hydrogen), both require water in different stages of the production cycle. Several studies in literature investigated greenhouse gas emissions associated with these technologies, while their water impact is not yet fully examined. The aim of this thesis is to assess the impact of blue and green hydrogen production on water resources, in terms of consumption and withdrawal, using grey hydrogen as benchmark. The analysis extends beyond Scope 1 (i.e. plant boundary), including the generation of the input energy vectors (Scope 2). Different configurations and cooling methods are examined. A case study on a regional Hydrogen Valley is then investigated. Results show that, apart from cooling technology, hydrogen production via electrolysis has the highest water impact, with a great variability depending on the electricity source. Regarding blue hydrogen, in wet cooling tower configurations, the trade-off between CO2 emissions and water footprint, already documented in literature, is confirmed. Instead, in once-through cooling systems, water consumption is lower for high-capture scenario, despite high water withdrawals. The case study analysis of the Puglia Green Hydrogen Valley reveals that direct power supply from photovoltaic keeps green hydrogen’s water impact comparable to blue hydrogen one’s. In conclusion, this thesis proves that the sustainability of green and blue hydrogen production is linked to the local water availability, the electricity source and the choice of cooling system.

L’attuale crisi climatica richiede una rapida decarbonizzazione del settore energetico e industriale, con l’obiettivo di raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050. In questo contesto si inserisce l’adozione di idrogeno sostenibile, quale vettore energetico chiave per decarbonizzare i comparti hard-to-abate e più in generale i settori difficilmente convertibili all’elettrico. Le opzioni a basse emissioni di produzione dell’idrogeno comprendono lo steam reforming di gas naturale con cattura e stoccaggio della CO2 (idrogeno blu) e l’elettrolisi alimentata da energia rinnovabile (idrogeno verde). Entrambe le tecnologie permettono di ridurre le emissioni di CO2, ma richiedono acqua in diverse fasi del ciclo produttivo. In letteratura diversi studi hanno analizzato le emissioni di gas serra associate a queste tecnologie, mentre il loro impatto idrico è ancora poco esplorato. L’obiettivo di questa tesi è la valutazione dell’impatto, sulle risorse idriche, della produzione di idrogeno blu e verde, sia in termini di consumi che di prelievi, usando come benchmark l’idrogeno grigio. L’analisi si estende oltre all’ambito scope 1, cioè oltre ai confini dell’impianto, includendo anche la generazione dei vettori energetici acquistati (scope 2). Sono stati presi in considerazione diversi metodi di raffreddamento e, per la produzione di idrogeno blu, due differenti tipologie di cattura della CO2. È stato poi investigato un caso studio riguardo un’Hydrogen Valley. I risultati mostrano che, indipendentemente dal sistema di raffreddamento utilizzato, l’idrogeno verde ha l’impatto idrico maggiore, evidenziando una forte dipendenza dalla fonte elettrica utilizzata. Riguardo all’idrogeno blu, nelle configurazioni con torre evaporativa viene confermato il trade off, già noto in letteratura, tra CO2 emessa e impronta idrica. Invece, nei sistemi once-through, i consumi idrici sono inferiori per lo scenario a cattura elevata, a dispetto di prelievi idrici elevati. L’analisi del caso studio della Puglia Green Hydrogen Valley rivela che l’alimentazione elettrica da fotovoltaico permette di ottenere un impatto idrico dell’idrogeno verde comparabile a quello dell’idrogeno blu. In conclusione, questa tesi dimostra che la sostenibilità della produzione di idrogeno blu e verde è legata alla disponibilità idrica locale, alla tipologia di alimentazione elettrica e alla scelta del sistema di raffreddamento.