Analisi tecnico-economiche di impianti di produzione di idrogeno verde da FER/elettrolisi. Impatto sulla rete elettrica e confronto con altre soluzioni per l’approvvigionamento energetico

Hydrogen is considered one of the energy carriers of the future, capable of supporting the decarbonization of various hard-to-abate sectors, i.e., those that are difficult to decarbonize through direct electrification: it can be used as a chemical process element, as a fuel for high-temperature heat production, or as a transport fuel, as well as being an excellent form of storage for electricity produced from renewable sources, facilitating its integration into the grid. Hydrogen therefore fits into a multi-vector energy context, which can be summarized by the concept of an energy hub, i.e., a place where the production, transformation, conversion, storage, and use of different energy carriers take place with the aim of creating a coupling of different networks which, in turn, allows for increased supply reliability, as it is no longer completely dependent on a single network, and optimizes the supply itself according to certain criteria. The research presented in this thesis is based precisely on this concept. After describing the main technologies for production, transport, and storage of hydrogen and the sectors in which it is used, the thesis addresses the formulation of a generic mathematical model of an energy hub and a typical linear optimization problem, with application examples involving hydrogen, developed as case studies during the PhD program and implemented in MATLAB. The first is a single-objective study that aims at the economic optimization of hydrogen supply for a steel mill; the second is a multi-objective study that aims to identify the optimal relationship between the sizes of the photovoltaic plant and the electrolyzer powered by it, both from an economic and environmental point of view related to carbon emissions, for three different scenarios; the third, on the other hand, is a study to achieve a technical-economic compromise in the sizing of a Power-to-Hydrogen plant to be built to support a medium-voltage distribution network characterized by a high presence of photovoltaic plants. For this last case study, a network analysis was developed in NEPLAN to assess the impact of the electrolysis plant on the network in terms of voltage profiles and active power losses.The results obtained show that the spread of renewable hydrogen depends heavily on achieving technical, economic, and environmental compromises in which political incentives or carbon pricing mechanisms could play a key role, influencing the optimal design of production plants. Specifically, it has been seen that the availability of space is a limiting factor for the installation of renewable energy plants that will be used to power electrolysers, with an optimal ratio between photovoltaic size and electrolysis capacity of between 1.8 and 2 in the case of economic optimisation and between 2.9 and 5.7 in the case of carbon emission minimisation as an additional objective. Furthermore, the presence of a battery storage system for the electricity produced by photovoltaics is not advantageous.Another interesting aspect concerns the impact on the grid: although electrolysis plants can be seen as additional loads that could put strain on the electrical system, if properly sized and managed, they can support the grid by reducing reverse power flows due to excess energy production from non-programmable renewable sources by more than 80%, while also reducing grid losses and voltage spikes, as shown in the case study of a medium-voltage grid on the island of Malta discussed in the last chapter.

L'idrogeno è considerato uno dei vettori energetici del futuro, in grado di supportare la decarbonizzazione di diversi settori hard to abate, ovvero difficili da decarbonizzare attraverso l’elettrificazione diretta: può essere utilizzato come elemento chimico di processo, come combustibile per la produzione di calore ad alta temperatura, o come carburante per il trasporto, oltre ad essere un’ottima forma di accumulo dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili, facilitandone l’integrazione in rete. L’idrogeno si colloca, quindi, in un contesto energetico multi-vettore, che può essere schematizzato attraverso il concetto di hub energetico, ovvero un luogo in cui avvengono produzione, trasformazione, conversione, stoccaggio e utilizzo di diversi vettori di energia con l’obiettivo di creare un accoppiamento di diverse reti che permette, a sua volta, di incrementare l'affidabilità della fornitura, poiché non è più completamente dipendente da una singola rete, e di ottimizzare la fornitura stessa in base a determinati criteri. Proprio su questo concetto si è basata l’attività di ricerca presentata in questa tesi nella quale, dopo la descrizione delle principali tecnologie di produzione, trasporto e stoccaggio dell’idrogeno e dei settori in cui questo viene impiegato, è affrontata la formulazione del modello matematico generico di un hub energetico e di un tipico problema di ottimizzazione lineare, con degli esempi applicativi, che includono l’idrogeno, sviluppati come casi studio durante il dottorato e implementati in ambiente MATLAB. Il primo è uno studio a singolo obiettivo che mira all’ottimizzazione economica della fornitura di idrogeno per un’acciaieria; il secondo è uno studio multi-obiettivo che mira ad individuare il rapporto ottimale tra le taglie dell’ impianto fotovoltaico e dell’elettrolizzatore alimentato da esso, sia da un punto di vista economico che ambientale legato alle emissioni di carbonio, per tre differenti scenari; il terzo, invece, è uno studio per il raggiungimento di un compromesso tecnico-economico nel dimensionamento di un impianto Power-to-Hydrogen da realizzare a supporto di una rete di distribuzione MT caratterizzata da un’elevata presenza di impianti fotovoltaici. Per quest’ultimo caso studio è stata sviluppata un’analisi di rete in NEPLAN per la valutazione dell’impatto sulla rete dell’impianto di elettrolisi in termini di profili di tensione e perdite di potenza attiva.I risultati ottenuti mostrano come la diffusione dell’idrogeno rinnovabile dipenda fortemente dal raggiungimento di compromessi tecnici-economici-ambientali nei quali gli incentivi politici o i meccanismi di fissazione del prezzo del carbonio potrebbero giocare un ruolo fondamentale, influenzando la progettazione ottimale degli impianti di produzione. In dettaglio, si è visto come la disponibilità di spazio sia un fattore limitante per l’installazione degli impianti a fonte rinnovabile che serviranno ad alimentare gli elettrolizzatori, con un rapporto ottimale tra taglie del fotovoltaico e capacità di elettrolisi compreso tra 1,8 e 2 nel caso di ottimizzazione economica e tra 2,9 e 5,7 nel caso in cui si tenga conto della minimizzazione delle emissioni di carbonio come obiettivo aggiuntivo. La presenza di un sistema di accumulo in batteria per l’energia elettrica prodotta dal fotovoltaico, inoltre, non risulta vantaggiosa. Altro aspetto interessante riguarda l’impatto sulla rete: sebbene, infatti, gli impianti di elettrolisi possano essere visti come dei carichi aggiuntivi che potrebbero mettere in crisi il sistema elettrico, essi, se opportunamente dimensionati e gestiti, possono fornire supporto alla rete riducendo di oltre l’80% i flussi di potenza inversa dovuti all’eccesso di produzione di energia da parte degli impianti a fonte rinnovabile non programmabile, riducendo allo stesso tempo le perdite di rete e i picchi di tensione, come mostrato nel caso studio di una rete MT dell’isola di Malta discusso nell’ultimo capitolo.