LA1.3.3 – Analisi e ottimizzazione dei costi di produzione dell’idrogeno, per diverse tecnologie ed in diverse configurazioni che prevedono l’integrazione con fonte solare

Attività

L’attività prevede lo sviluppo di uno studio di analisi costi-benefici finalizzato alla valutazione del costo livellato dell’idrogeno (Levelized Cost of Hydrogen, LCOH) e della sostenibilità tecnico-economica del suo impiego nei settori industriali hard-to-abate. L’utilizzo dell’idrogeno verde costituisce una delle soluzioni per la decarbonizzazione di questi settori industriali ad alta intensità energetica in cui è difficile abbattere le emissioni di gas serra. Alcune delle industrie che rientrano nella categoria dei settori hard-to-abate sono le acciaierie, le raffinerie, le cartiere, le vetrerie, la ceramica e i cementifici. In questi ambiti industriali l’idrogeno può essere utilizzato come Feedstock nei i processi stessi o come combustibile per il riscaldamento e per fornire calore di processo in tutte le applicazioni che richiedono un calore a temperatura elevata Lo studio mette a confronto diverse configurazioni impiantistiche e differenti scale produttive, considerando sia i costi diretti di investimento e di esercizio sia i benefici derivanti dalle diverse soluzioni tecnologiche. L’analisi prende in esame l’integrazione della produzione di idrogeno con fonti di energia rinnovabile in configurazioni sia on-grid sia off-grid, valutando l’impatto dei criteri di addizionalità sulla competitività economica del sistema.

Sono inoltre investigate l’influenza delle economie di scala, l’impiego di sistemi di accumulo per incrementare il fattore di utilizzo degli impianti (load factor) e differenti scenari di utilizzo finale dell’idrogeno nei principali comparti industriali hard-to-abate, con particolare riferimento ai settori siderurgico, ceramico e cartario.

Lo studio comprende infine un’analisi di sensitività dei principali parametri tecnico-economici, al fine di valutare l’effetto delle diverse variabili sul LCOH e individuare le configurazioni più efficaci sotto il profilo tecnico, economico e ambientale.

Risultati

Le attività hanno condotto alla valutazione economica di tre casi studio in differenti settori industriali

1) Caso studio settore della carta :

Il caso studio relativo al settore cartario individuando una configurazione ottimale per la produzione di idrogeno rinnovabile integrata nella cartiera, costituita da un impianto Power To Hydrogen To Power. (P2H2P)

Lo scenario prevede un blending del 60% di idrogeno con gas naturale per alimentare un impianto turbogas cogenerativo, destinato a soddisfare i fabbisogni elettrici e termici della cartiera. La configurazione ottimale individuata comprende un impianto fotovoltaico da 14 MWe, un elettrolizzatore da 4,5 MWe e un sistema di stoccaggio da 300 kgH₂ a 200 bar, necessari per produrre circa 1.530 t di idrogeno. L’analisi economica ha stimato un LCOH di 5,66 €/kgH₂. I risultati dell’analisi di sensitività rispetto al prezzo di vendita dell’energia elettrica evidenziano una variazione del LCOH compresa tra 2,78 e 11,16 €/kgH₂.

Figura 1

Caso studio settore della carta

2) Caso studio settore dell’acciaio

Lo studio ha analizzato l’impiego dell’idrogeno in blending con il metano per la decarbonizzazione di un impianto siderurgico EAF nel Nord Italia. È stato sviluppato in Matlab un modello di ottimizzazione per dimensionare l’impianto rinnovabile (eolico o fotovoltaico), l’elettrolizzatore e il sistema di accumulo, considerando quote di idrogeno comprese tra il 5% e il 30% del fabbisogno termico annuo. I risultati hanno evidenziato una maggiore efficacia della fonte eolica nel garantire continuità di alimentazione dell’elettrolizzatore. Le potenze eoliche ottimali variano da 21 MWe (5% H₂, con elettrolizzatore da 8 MWe e batterie da 24 MWe) fino a 129 MWe (30% H₂). All’aumentare della quota di idrogeno aumenta anche la quantità di CO₂ evitata. Dal punto di vista economico, il LCOH

• Domanda termica: ≈ 370 GWh/anno, soddisfatta da 70 bruciatori

• Scenari analizzati: impianti FV da 35,5 / 71 / 107 MW, con quota H₂ pari a 5–15%

• Beneficio ambientale: 10,10–30,06 tCO₂/GWh·anno, fino a circa 12.471 tCO₂/anno evitate

• LCOH: ≈ 3,7 €/kg H₂ con eolico e ≈ 3,9 €/kg H₂ con fotovoltaico

3) Caso studio settore della ceramica

Lo studio ha analizzato l’impiego dell’idrogeno in blending con il gas naturale per la decarbonizzazione di un impianto ceramico per la produzione di gres porcellanato. La filiera di produzione, compressione, accumulo e utilizzo dell’H₂ nel forno è stata modellata mediante Aspen Custom Modeler e Aspen Plus® v12.1, confrontando elettrolizzatori alcalini e PEM operanti a 7 e 30 bar. Sono state analizzate quattro configurazioni: alimentazione dalla rete, fotovoltaico con accumulo di H₂, fotovoltaico con batteria e sistema ibrido FV–batteria–H₂. Per un impianto da 10 milioni di m²/anno e un blending del 20 vol% di H₂, la domanda di idrogeno è pari a circa 224 t/anno, corrispondenti a 27,2 kg/h al forno. I risultati economici mostrano valori di LCOH compresi indicativamente tra 8,1 e 11,4 €/kg H₂; tra le configurazioni off-grid,la soluzione ibrida risulta la più favorevole, con un LCOH minimo di 8,095 €/kg H₂ utilizzando un elettrolizzatore alcalino a 30 bar. L’esercizio ad alta pressione consente inoltre di ridurre il lavoro di compressione richiesto a valle.

Figura 3

Caso studio settore della ceramica

Potenzialità dell’idrogeno di decarbonizzare i settori industriali italiani ad alta intensità energetica.

L’attività svolta ha analizzato la decarbonizzazione dei principali settori industriali energivori (cementifici, acciaierie, cartiere, vetrerie, raffinerie, ceramiche e impianti chimici) attraverso l’impiego di idrogeno verde in blending con il gas naturale. Sono stati sviluppati scenari di penetrazione dell’idrogeno pari al 3%, 20% e 100%, considerando la produzione mediante elettrolisi alimentata da nuova capacità fotovoltaica, secondo il principio di addizionalità e i criteri europei per gli RFNBO.

L’analisi ha valutato, oltre agli aspetti energetici e ambientali, anche le esigenze infrastrutturali e l’occupazione di suolo. I risultati mostrano una crescita significativa dei requisiti di capacità rinnovabile all’aumentare della quota di idrogeno: lo scenario al 3%, pari a circa 0,114 Mt/anno di H₂, richiede circa 4,74 GWp di fotovoltaico, mentre lo scenario al 20% raggiunge un fabbisogno dell’ordine di 0,8 Mt/anno, in linea con gli obiettivi della Strategia Nazionale per l’Idrogeno al 2050.

In collaborazione con:

l’Università degli Studi di Napoli Parthenope Elio Jannelli, Simona di Micco

Si ringrazia la Prof.ssa Minutillo dell’Università degli Studi di Salerno per il contributo nella redazione del documento

Documenti