Analysis of local and regional hydrogen energy systems for the decarbonisation of the rail sector in Sicily: an optimization approach [Ottimizzazione di sistemi energetici a idrogeno locali e regionali per la decarbonizzazione del settore ferroviario in Sicilia]

Per promuovere e sostenere l’adozione globale dell’idrogeno, l’Unione Europea sostiene una transizione graduale nei settori dei trasporti, come il settore ferroviario e quello degli autobus. Il successo di questo cambiamento dipende fortemente dallo sviluppo di sistemi energetici a idrogeno efficaci in termini di costi e impatto ambientale a livello locale, regionale e nazionale. Inoltre, la disponibilità locale di fonti di energia rinnovabile, come parchi eolici e biomassa, potrebbe favorire il raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità. Tuttavia, il principale ostacolo all’adozione di treni a celle a combustibile a idrogeno e autobus elettrici alimentati a celle a combustibile a idrogeno è la mancanza di infrastrutture adeguate per la catena di approvvigionamento e di sistemi locali, come le stazioni di rifornimento di idrogeno. Questa problematica richiede analisi approfondite per garantire la sostenibilità del progetto e fornire agli stakeholder strumenti affidabili per il processo decisionale e la pianificazione. Tale analisi multilivello dovrebbe integrare diverse risoluzioni temporali e spaziali per valutare sia sistemi a idrogeno locali che geograficamente più distribuiti, considerando vincoli specifici del contesto, nonché le prestazioni complessive economiche e ambientali. Diversi studi hanno investigato un problema simile attraverso approcci differenti, che spaziano dalla simulazione ai modelli di ottimizzazione. I metodi di ottimizzazione basati su modelli sono ampiamente utilizzati per progettare catene di approvvigionamento di idrogeno che soddisfino criteri economici, tecnici e ambientali. I modelli di ottimizzazione, con risoluzioni spaziali e temporali più elevate, sono anche ampiamente implementati per identificare il miglior set di decisioni progettuali e operative per sistemi energetici locali. La programmazione lineare mista intera (MILP) rappresenta l’approccio di modellazione preferito per entrambi i tipi di sistemi. Ad oggi, solo pochi studi hanno affrontato la progettazione e l’operatività ottimali di catene di approvvigionamento di idrogeno e stazioni di rifornimento, specificamente adattati al settore ferroviario per il trasporto passeggeri. In questo contesto, il presente lavoro propone due framework di ottimizzazione per la progettazione e l’operatività di due sistemi energetici a idrogeno greenfield: una catena di approvvigionamento di idrogeno e una stazione di rifornimento di idrogeno. Entrambi i modelli di ottimizzazione utilizzano l’approccio MILP, differenziandosi per le risoluzioni temporali e spaziali, nonché per le formulazioni algebriche dei vincoli e degli obiettivi. I modelli sono stati applicati e validati su tre casi studio in Sicilia. È stata condotta un’analisi post-ottimale in cui sono stati formulati e calcolati diversi indicatori chiave a partire dai risultati di ottimizzazione per ottenere importanti approfondimenti sulle prestazioni tecniche, economiche e ambientali di ciascun sistema a idrogeno. Nello specifico, il Caso Studio #1 ha proposto un modello di ottimizzazione multi-obiettivo, minimizzando sia i costi totali giornalieri sia le emissioni, per la progettazione di catene di approvvigionamento di idrogeno greenfield con energia eolica e biomassa solida come fonti energetiche primarie. Strumenti di analisi esterni sono stati integrati con il modello algebrico per valutare la disponibilità locale di energia eolica e condurre un’analisi accurata dei flussi di cassa di diversi tipi di stazioni di rifornimento di idrogeno. Allo stesso modo, il Caso Studio #2 si è concentrato sull’ottimizzazione economica della progettazione della catena di approvvigionamento di idrogeno utilizzando solo parchi eolici esistenti e la rete elettrica nazionale in diversi scenari di domanda. Infine, il Caso Studio #3 si è focalizzato sull’ottimizzazione dinamica di una stazione di rifornimento di idrogeno con elettrolisi in loco, considerando diverse configurazioni di input energetico: la rete elettrica (con e senza accordi di acquisto di energia rinnovabile) e un impianto fotovoltaico. Tecniche di risposta alla domanda e linearizzazione, così come nuovi vincoli algebrici, sono stati formulati per catturare le specifiche dinamiche e operazioni di alcune unità tecnologiche dei sistemi a idrogeno. I risultati chiave dei tre casi studio hanno evidenziato che lo sfruttamento dei rifiuti di biomassa e dell’energia eolica in Sicilia potrebbe potenzialmente soddisfare le esigenze di domanda di idrogeno del settore del trasporto pubblico. Questa domanda potrebbe essere coperta dall’istituzione di due impianti centralizzati su larga scala a base di biomassa, con una capacità massima di 18.000 kgH2/giorno, e di alcuni elettrolizzatori in loco alimentati da energia eolica per le richieste residue. Anche considerando le economie di scala, il costo livellato di erogazione dell’idrogeno (6–9 €/kgH2) rimane significativamente più alto rispetto alla benzina (2,2 €/kg). Per quanto riguarda le fasi di consegna dell’idrogeno, ci sono maggiori vantaggi economici e ambientali associati alle consegne di idrogeno gassoso rispetto a quello liquido. Per una stazione di rifornimento di idrogeno a servizio di una linea ferroviaria, il costo unitario di idrogeno per chilometro di treno è di 1,95 €/km, rispetto ai 2,18 €/km del diesel. Sotto un accordo di acquisto di energia rinnovabile, possono essere potenzialmente evitate circa 207 kg di emissioni di CO2-eq al giorno. Pertanto, i framework di ottimizzazione proposti si sono dimostrati capaci di fornire approfondimenti basati sui dati per progettare e gestire diversi sistemi a idrogeno. Le analisi economiche e ambientali sottolineano fattori specifici del contesto su cui fare leva ulteriormente e sfide che ostacolano ancora significativamente l’introduzione massiccia dell’idrogeno nel settore dei trasporti.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• CUTORE, EMANUELE

Contributors dc:contributor

• FICHERA, Alberto

• hydrogen
• rail
• optimization
• MILP
• Sicily
• idrogeno
• ferrovia
• ottimizzazione
• Sicilia

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/691039

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/691039