Produzione di idrogeno verde e accoppiamento settoriale

La sfida

WSP (precedentemente BG Group) è uno studio di ingegneria e consulenza internazionale attivo in Svizzera e in Francia, che consiglia i suoi clienti su progetti di infrastruttura ed energia dal 1954. Per uno studio di fattibilità nella Svizzera romanda, i suoi ingegneri dovevano determinare se la produzione di idrogeno verde in loco fosse commercialmente sostenibile su due siti accoppiati: un sito industriale con 20’000 m² per impianti PV e idrogeno, e un quartiere residenziale di 14 edifici collettivi con 3’200 m² di tetto disponibile.

I due siti condividerebbero una rete termica, con il calore di scarto degli elettrolizzatori e delle celle a combustibile del sito industriale in grado di riscaldare gli edifici residenziali, ma la progettazione dipendeva da decine di variabili in interazione: dimensionamento del PV, capacità di accumulo di H₂, economicità delle celle a combustibile, domanda di carburante di mobilità dei camion logistici e fluttuazioni stagionali dell’offerta rinnovabile. I metodi tradizionali di confronto delle varianti non potevano catturare queste interazioni alla risoluzione richiesta dallo studio.

Come è stato utilizzato Sympheny

Gli ingegneri di WSP hanno costruito in Sympheny un gemello digitale del sistema integrato industria-residenziale, integrandovi i loro dati economici e di prestazione interni provenienti da progetti precedenti di idrogeno, accumulo, multi-energia e mobilità. Hanno configurato un riferimento fossile (camion diesel, caldaie a olio combustibile, elettricità dalla rete) per ancorare il confronto. L’algoritmo di Sympheny ha poi valutato il sistema bipartito in modo olistico e restituito più varianti di progettazione ottimali in senso di Pareto in meno di dieci minuti.

• Gemello digitale accoppiato settorialmente: ha modellato la logistica industriale, il calore residenziale, l’elettricità e l’idrogeno come un unico sistema connesso, con la rete termica che collega i due siti.
• Sei varianti ottimali: ha fatto emergere sei configurazioni di progettazione ottimali in senso di Pareto che coprono il compromesso costi-emissioni, più il riferimento fossile per la taratura.
• Roadmap verso il quasi-zero: ha quantificato le risorse rinnovabili aggiuntive e i costi incrementali necessari per andare oltre la riduzione del 60% verso emissioni quasi nulle.

I due siti accoppiati modellati in Sympheny: un hub industriale per la produzione di idrogeno e il carburante di mobilità pesante, e un hub residenziale per gli edifici, collegati da una rete termica e una micro-rete.

Risultato

La progettazione ottimale riduce le emissioni in equivalente CO₂ del 60% rispetto al riferimento fossile pur restando competitiva sui costi: i costi del ciclo di vita si situano fino al 26% al di sotto del sistema di riferimento. Sostituire il 60-70% del diesel con idrogeno verde prodotto a partire dal PV in loco è la configurazione che ha più senso economico per questi due siti, e il costo di produzione di questo idrogeno, capitale dell’elettrolizzatore, del compressore e dell’accumulo incluso, è comparabile al prezzo del diesel attuale.

La logica stagionale che il modello ha fatto emergere è concreta: in estate, l’elettricità PV in eccesso del sito residenziale fluisce verso il sito industriale per produrre idrogeno, mentre il calore di scarto della produzione di H₂ fornisce acqua calda di ritorno agli edifici collettivi; in inverno, il PV residenziale serve la domanda diretta di elettricità e di pompa di calore, mentre il sito industriale attinge all’H₂ immagazzinato come carburante. Il sistema integrato offre un’autosufficienza completa per almeno il 15% dell’anno. WSP dispone anche di una roadmap direzionale verso emissioni quasi nulle, con lo sviluppo rinnovabile aggiuntivo e l’incremento di costo quantificati.

Sei varianti di progettazione ottimali confrontate con il riferimento fossile. Le configurazioni economicamente più attraenti riducono le emissioni del 60-70% rispetto al riferimento.