Pianificazione per la produzione di idrogeno verde: un nuovo approccio

L'Idrogeno Verde è importante per creare carburanti rinnovabili, specialmente in posti dove non si può elettrificare direttamente. Produrre idrogeno in sistemi che uniscono diverse fonti di Energia Rinnovabile richiede una pianificazione attenta per rispettare gli accordi di fornitura di idrogeno a lungo termine, mantenendo bassi i costi e le Emissioni di carbonio.

Studi recenti hanno esaminato gli effetti economici e ambientali della Produzione di idrogeno assumendo una conoscenza perfetta della disponibilità di energia rinnovabile, dei Prezzi dell'elettricità e delle emissioni di carbonio nella rete elettrica. Tuttavia, questa supposizione non riflette le operazioni reali, il che può portare a sottovalutazioni sia dei costi che delle emissioni di carbonio. Questo articolo discute un nuovo metodo di pianificazione a lungo termine che usa dati passati e previsioni a breve termine per migliorare la produzione giornaliera di idrogeno in un sistema di energia rinnovabile connesso alla rete.

#La Necessità di Idrogeno Verde

Per raggiungere gli obiettivi globali di riduzione del carbonio, specialmente in linea con l'Accordo di Parigi, le nazioni devono trovare modi efficaci per ridurre le emissioni di carbonio sostenendo la crescita economica. Molti paesi stanno adottando politiche di energia rinnovabile per ridurre le emissioni e combattere il cambiamento climatico. Produrre idrogeno verde da fonti rinnovabili è una soluzione promettente che può sostituire i combustibili fossili, in particolare nei settori difficili da elettrificare.

L'idrogeno si qualifica come "verde" quando è generato da fonti rinnovabili. Secondo le attuali linee guida dell'Unione Europea, l'idrogeno può anche essere classificato come verde se la sua produzione non comporta emissioni significative di carbonio. Ad esempio, l'idrogeno prodotto dall'elettricità della rete può essere considerato verde se almeno il 90% dell'energia proviene da fonti rinnovabili, se le emissioni di carbonio dell'elettricità sono sotto una certa soglia, o se il prezzo dell'elettricità è al di sotto di un importo specifico.

Nei paesi con un alto utilizzo di energia rinnovabile, la produzione di idrogeno verde spesso unisce fonti rinnovabili in loco come il vento e il solare con connessioni alla rete. Questa disposizione consente a questi impianti di ottimizzare il loro utilizzo energetico vendendo energia rinnovabile alla rete quando i prezzi sono alti e acquistando elettricità quando i prezzi e le emissioni di carbonio sono bassi.

#Progetti Attuali di Idrogeno Verde

Vari progetti di idrogeno verde sono in corso, in particolare nel nord Europa. Ad esempio, il progetto HySynergy punta a produrre idrogeno verde per aiutare le raffinerie e sostenere un trasporto a zero emissioni, con una capacità di oltre 1,3 GW. Allo stesso modo, il progetto Green Fuels for Denmark ha anche la stessa capacità elettrolitica e si concentra sulla creazione di carburanti rinnovabili per veicoli pesanti, navi e aviazione. Infine, il progetto H2RES nella Grande Copenaghen ha una capacità di 2 GW e mira a supportare il trasporto senza carbonio.

Questi progetti, sebbene vantaggiosi, devono operare nel rispetto delle regole del mercato elettrico. La maggior parte dell'elettricità scambiata in Europa avviene nei mercati a giorno, dove i prezzi sono determinati un giorno prima della consegna in base a domanda e offerta. Per i sistemi ibridi di energia rinnovabile, è fondamentale bilanciare la produzione di energia e le emissioni di carbonio, specialmente quando il prezzo dell'elettricità e l'intensità di carbonio possono fluttuare.

#Dinamiche del Mercato Energetico

In Danimarca, c'è spesso una connessione debole tra i prezzi dell'elettricità e l'intensità di carbonio. Questa correlazione debole suggerisce che semplicemente minimizzare i costi potrebbe non portare a una riduzione delle emissioni di carbonio. Di conseguenza, i sistemi ibridi di energia rinnovabile devono considerare sia il costo che le emissioni di carbonio quando generano idrogeno.

Attualmente, l'idrogeno viene principalmente acquistato tramite accordi di acquisto che specificano le quantità di produzione per periodi stabiliti, che possono variare da un giorno a un anno. Questo scenario consente una certa flessibilità nel modo in cui l'idrogeno viene prodotto, ma complica anche la pianificazione della produzione a lungo termine a causa dell'incertezza dei futuri prezzi dell'elettricità, delle emissioni di carbonio e della disponibilità di energia rinnovabile.

#Sfide nella Pianificazione della Produzione di Idrogeno

La produzione di idrogeno può essere ostacolata dall'incapacità di prevedere con precisione questi elementi su periodi prolungati. Pertanto, diventa essenziale creare un piano a lungo termine efficace per garantire che venga prodotto abbastanza idrogeno per soddisfare gli obblighi contrattuali senza sostenere costi o emissioni inutili.

La maggior parte degli studi esistenti sulla produzione di idrogeno ha o sottostimato i costi reali o non ha tenuto conto delle variabili operative quotidiane. Utilizzando una tecnica grafica progettata per applicazioni di stoccaggio energetico, i ricercatori possono minimizzare sia i costi che le emissioni di carbonio senza fare affidamento su profili di domanda rigidi per l'idrogeno.

#La Soluzione di Pianificazione a Lungo Termine

Questa ricerca introduce un nuovo sistema ibrido di energia rinnovabile che gestisce in modo efficace la produzione di idrogeno e il commercio di elettricità. Il sistema utilizza due moduli di pianificazione: un pianificatore a lungo termine e un pianificatore giornaliero. Il pianificatore a lungo termine valuta dati storici e previsioni a breve termine per determinare la produzione ottimale di idrogeno per il giorno successivo senza necessità di previsioni a lungo termine.

Il pianificatore a lungo termine considera anche quanto idrogeno deve essere prodotto su periodi di consegna più lunghi, garantendo flessibilità che può ridurre costi ed emissioni di carbonio. Utilizzando questo metodo, i ricercatori mirano a fornire un quadro più chiaro dei compromessi tra costi ed emissioni coinvolti nella produzione di idrogeno, considerando le operazioni quotidiane e i limiti tecnici dell'impianto di produzione.

#Panoramica del Sistema

Il setup per la produzione di idrogeno include un pannello solare, turbine eoliche, un elettrolizzatore e un inverter. Il sistema solare opera su un bus a corrente continua (DC), mentre l'energia eolica e l'elettrolizzatore si collegano a un bus a corrente alternata (AC). Questa configurazione consente all'impianto di produzione di idrogeno di importare ed esportare elettricità, ottimizzando così l'uso dell'energia in base alle condizioni di mercato.

Il funzionamento del sistema è continuo, con l'obiettivo di produrre un volume specifico di idrogeno durante periodi di consegna prestabiliti. Per garantire che questo obiettivo venga raggiunto, il pianificatore a lungo termine stabilisce obiettivi complessivi di produzione di idrogeno per il giorno successivo. Il pianificatore giornaliero crea quindi un piano di produzione oraria.

Come parte del processo di pianificazione, il sistema deve bilanciare la produzione di idrogeno con l'uso di energia dalla rete, adattandosi alla realtà delle fluttuazioni della produzione di energia rinnovabile e dei prezzi del mercato elettrico.

#Operazione e Metriche di Prestazione

Le prestazioni del sistema vengono valutate su diverse programmazioni di consegna: giornaliera, settimanale, mensile e annuale. Facendo ciò, diventa evidente che periodi di consegna più lunghi aumentano la flessibilità operativa, facilitando un miglior equilibrio tra costi ed emissioni. La ricerca indica che significative riduzioni delle emissioni di carbonio possono essere ottenute con solo un leggero aumento dei costi di produzione dell'idrogeno.

I risultati operativi giornalieri generalmente si allineano con le prestazioni di riferimento, che valutano la produzione di idrogeno sulla base di una completa previsione. Tuttavia, l'operatività quotidiana mostra emissioni di carbonio più elevate, evidenziando la necessità di strategie operative più sfumate che riflettano le condizioni di mercato realistiche.

#Valutazione della Produzione di Idrogeno Verde

Sotto le attuali linee guida europee, la valutazione della produzione di idrogeno deve considerare se essa sia "verde". Le normative specificano che l'elettricità della rete può essere considerata rinnovabile sotto determinate condizioni, come quando il consumo totale di energia rinnovabile è alto o quando le emissioni di carbonio scendono sotto una soglia specifica.

In Danimarca, tuttavia, le condizioni reali spesso non si adattano a questi criteri, significando che una parte significativa dell'idrogeno prodotto potrebbe non essere classificata come verde. Nonostante ciò, le emissioni di carbonio da tutto l'idrogeno prodotto rimangono considerevolmente inferiori a quelle dei metodi tradizionali di produzione di idrogeno.

Le normative esistenti riguardanti la produzione di idrogeno verde potrebbero essere migliorate aumentando la trasparenza e consentendo un conteggio basato sulle emissioni di carbonio orarie. Questo cambiamento fornirebbe una valutazione più equa dell'idrogeno creato in diverse condizioni e potrebbe ampliarne la definizione di cosa costituisce idrogeno verde.

#Raccomandazioni per Miglioramenti Normativi

Un quadro normativo aggiornato dovrebbe incorporare contabilità più trasparente basata sulle emissioni di carbonio orarie invece di fare affidamento esclusivamente su medie annuali. Inoltre, una soglia di emissioni di carbonio specifica più bassa rifletterebbe meglio le realtà della produzione di idrogeno e faciliterebbe una transizione energetica più significativa verso il verde.

Questi aggiustamenti beneficerebbero i produttori di idrogeno garantendo nel contempo che l'impatto ambientale rimanga minimo. Gli attuali obiettivi per le emissioni di carbonio potrebbero ragionevolmente essere ridotti, promuovendo un'industria di produzione di idrogeno più sostenibile senza compromettere l'infrastruttura esistente.

#Conclusione

Il contributo della produzione di idrogeno per affrontare il cambiamento climatico non può essere sottovalutato. Man mano che le nazioni lavorano per ridurre le emissioni di carbonio, l'idrogeno verde è emerso come un componente vitale nella creazione di carburanti rinnovabili per i settori difficili da elettrificare. Sviluppando un quadro di pianificazione più efficace per la produzione di idrogeno che sfrutta sia i dati storici che le previsioni a breve termine, possiamo migliorare l'efficienza e la sostenibilità dei sistemi di produzione.

La ricerca continuativa e i progressi nella produzione di idrogeno continueranno a svolgere un ruolo cruciale nel sostenere ambiziosi obiettivi di riduzione del carbonio. Questo studio fornisce una base per ulteriori esplorazioni di sistemi ibridi di energia rinnovabile, suggerendo percorsi per miglioramenti normativi che incoraggeranno un futuro più verde e resiliente. Attraverso una pianificazione attenta e strategie innovative, possiamo avanzare verso un paesaggio energetico più sostenibile dove l'idrogeno gioca un ruolo fondamentale.