Applicazione di tecniche avanzate di modellizzazione e ottimizzazione per la valutazione del potenziale dell'idrogeno per il percorso di decarbonizzazione di aree industriali complesse

Industrial port areas are highly energy-intensive and their decarbonization with strict emissions reduction targets is challenging. Emissions in industrial port areas are caused not only by ship traffic but also by port cargo handling equipment, vehicles, warehouses and buildings, and by the industries operating near port areas. In fact, ports usually host processing industries that take advantage of the direct commodities supply and strategic position, in particular, the heavy industry sectors, such as chemical industries, steel production plants and refineries. Several decarbonization strategies that ports worldwide are implementing to meet increasingly stringent environmental goals are here introduced and analysed. The aim of the work presented in this thesis is to provide detailed insights into the most promising decarbonization strategies, including renewable energy installations, energy efficiency improvements, green fuels for cargo handling and shipping, the import and use of green energy carriers, and hydrogen supply to the industrial sectors operating in port areas. A particular emphasis is given on the role of hydrogen and hydrogen technologies in the industrial port areas decarbonization, which can play a key role in the adoption of these low-carbon solutions. In order to select the most effective decarbonization technologies and facilitate the decarbonization process, this thesis proposes a multi-objective optimization approach capable of simultaneously optimizing technical, economic, and environmental objectives. A methodology is proposed for modelling energy conversion and storage units and for optimizing their design and long-term operation. The proposed methodology and the developed computational tool can be applied to the study of decarbonization processes in any industrial port area and it also can be easily adapted to other complex industrial systems, such as logistics centres, airports, chemical, and steel industries. In this work, the tool is applicated to two case studies: a European industrial port area located in the Northern Adriatic Sea and an Asian industrial port area located in the Southern South China Sea. The main outcome of the optimization process is the identification of the most effective decarbonization strategies, the design of energy conversion and storage units, and their optimal operation modes. Energy system components include technologies for the operation and conversion of energy carriers such as hydrogen, energy storage, including compressed hydrogen and electricity, and thermal energy conversion and storage units. The optimal design and operation of the energy systems components are then compared. Approximately 9 kt and 676 kt of CO2,eq emissions can be avoided by introducing the proposed decarbonisation strategies in the industrial port areas of Trieste and Singapore, respectively. Optimization results shows that hydrogen can play a key role in decarbonising industry and heavy vehicles operating in industrial port areas. In particular, ammonia and liquefied hydrogen prove to be convenient to import by ship and use to supply hydrogen to reach stackers, yard tractors and industries. Electrification is generally preferable for cranes and forklifts, also for large emission reductions (-50% of current emissions). Local production of hydrogen via electrolysis is cost-effective when a cost reduction of at least 30% compared to the current cost is assumed.

Le aree industriali portuali sono zone ad elevata intensità energetica la cui decarbonizzazione risulta complessa. Infatti, queste aree sono soggette a considerevoli emissioni non solo dovute al traffico marittimo ma anche ai mezzi adottati per la movimentazione della merce e la logistica portuale, ai magazzini e edifici del porto e alle industrie che operano in area portuale. In effetti, i porti ospitano spesso molte industrie che beneficiano del più facile accesso delle materie e alla posizione strategica. Tra queste vi sono anche le industrie del settore pesante, come ad esempio: le acciaierie, le industrie chimiche e le raffinerie. Lo scopo dello studio presentato in questa tesi è di analizzare le tecnologie e strategie per la decarbonizzazione di queste aree, mettendo alla luce il loro potenziale impatto sulla riduzione delle emissioni. Tra queste strategie, vi sono l’installazione di impianti per lo sfruttamento delle fonti di energia rinnovabile, l’utilizzo di combustibili alternativi per i mezzi portuali e le navi, l’import e utilizzo di vettori di energia verde e la fornitura di idrogeno alle industrie che operano in prossimità del porti. Lo studio si è focalizzato in particolare sull’utilizzo di idrogeno e delle tecnologie ad esse correlate che potrebbero giocare un ruolo fondamentale nel condurre l’adozione di strategie di decarbonizzazione. Per selezionare le tecnologie di decarbonizzazione più efficaci e agevolare il processo di decarbonizzazione, questa tesi propone un approccio di ottimizzazione multi-obiettivo in grado di ottimizzare contemporaneamente obiettivi tecnici, economici ed ambientali. Viene proposta una metodologia per la modellazione delle unità di stoccaggio e conversione dell’energia e per ottimizzarne il dimensionamento e funzionamento a lungo termine. La metodologia proposta e lo strumento di calcolo sviluppato possono essere applicati allo studio dei processi di decarbonizzazione di qualsiasi area portuale industriale e possono anche essere facilmente adattati ad altri complessi sistemi industriali, come centri logistici, aeroporti, industrie chimiche e siderurgiche. In questa tesi, lo strumento di calcolo viene applicato a due casi di studio: un'area portuale industriale europea situata nel Mar Adriatico settentrionale e un'area portuale industriale asiatica situata nel Mar Cinese meridionale. L’ottimizzazione ha come risultato principale la determinazione dell’insieme ottimale di strategie di decarbonizzazione, il dimensionamento delle unità di conversione e stoccaggio di energia e il loro relativo funzionamento ottimale. Tra i componenti del sistema energetico ci sono, ad esempio, le tecnologie per la gestione e conversione dei vettori energetici di idrogeno, lo stoccaggio di energia elettrica e di idrogeno compresso e le unità di conversione e stoccaggio di energia termica. L’ottimo design e funzionamento dei componenti dei sistemi energetici per i due casi studio sono stati successivamente confrontati. Introducendo le strategie di decarbonizzazione proposte, circa 9 kt e 676 kt di emissioni di CO2,eq possono essere evitate rispettivamente nelle aree portuali industriali di Trieste e Singapore. I risultati dell'ottimizzazione mostrano che l'idrogeno può svolgere un ruolo chiave nella decarbonizzazione dell'industria e dei veicoli pesanti che operano nelle aree portuali industriali. In particolare, l'ammoniaca e l'idrogeno liquefatto si dimostrano convenienti da importare via nave e da utilizzare per fornire idrogeno agli impilatori e trattori per la movimentazione di container e alle industrie. L'elettrificazione è generalmente preferibile per le gru e i carrelli elevatori, anche quando è richiesta una riduzione considerevole delle emissioni (-50% delle emissioni attuali). La produzione locale di idrogeno tramite elettrolisi è conveniente quando si ipotizza una riduzione del loro costo di acquisto di almeno il 30% rispetto al costo attuale.