Analisi comparativa delle catene di conversione e accumulo di energia basate sull'idrogeno per la propulsione navale

Global trade is primarily based on maritime transport, and the fact that it predominantly relies on fossil fuels contributes significantly to large-scale greenhouse gas emissions. Given the growing concern about global warming, strategies aimed at decarbonizing the maritime sector must therefore be adopted. Among these strategies is the introduction of alternative fuels for the generation of propulsion energy, such as hydrogen and hydrogen-derived synthetic fuels (ammonia, methanol, and synthetic methane). The objective of this thesis is to analyze the energy chains of the aforementioned fuels, from hydrogen production to naval propulsion, in order to carry out a quantitative comparison between them and thus determine which alternative fuels represent the most suitable solutions in terms of energy efficiency, greenhouse gas emissions, costs, and operational range of ships. In addition, an energy chain based on liquefied fossil methane has also been considered, in order to broaden the boundaries of the comparison between the various energy chains. Each energy pathway consists of several processes, some of which are more or less common among the different chains. The analysis focused on four main stages: hydrogen production through electrolysis powered by renewable electricity; conversion of H₂ into the corresponding synthetic fuel; compression or liquefaction of the fuel to optimize its onboard storage; and finally its use in the respective internal combustion engine to generate useful mechanical energy. For each stage, efficiency, emission, and cost data were collected from the scientific literature and subsequently aggregated through common energy relationships, with results normalized with respect to a unit of propulsion energy [MWh_prop]. From the processing of the data obtained for each hydrogen-based energy chain, an efficiency range between 9–43% emerged, depending on the fuel and the electrolysis technology considered. Similarly, under the considered energy scenario and assuming direct air capture of CO₂, greenhouse gas emissions were estimated to lie within the range of 8–15 [kg_(CO_(2,eq) )/MWh_prop] for each chain. From an economic perspective, costs between 149–390 [$/MWh_prop] were obtained depending on the energy chain and electrolysis technology considered. Furthermore, the volumetric energy density of each fuel was determined, highlighting how hydrogen-derived fuels allow greater ship autonomy for a given tank volume. Overall, the results show that there is no universally superior energy chain, but that the choice of fuel depends on the trade-off between energy efficiency, emissions, costs, and operational requirements of ships. The fuel associated with the lowest greenhouse gas emissions and the highest efficiency values is hydrogen; however, it is subject to the major limitation of requiring large storage tanks, which reduces the useful space available onboard. Liquefied synthetic methane, on the other hand, emerges as one of the most balanced solutions thanks to its high volumetric energy density and its compatibility with existing infrastructures.

Il commercio globale è basato soprattutto sul trasporto marittimo, e il fatto che questo sfrutti prevalentemente combustibili fossili contribuisce in maniera significativa alle emissioni di gas serra su larga scala. Vista la crescente attenzione al problema del riscaldamento globale, devono essere quindi adottate strategie atte a decarbonizzare il settore navale. Tra queste troviamo l’introduzione di combustibili alternativi per la generazione di energia propulsiva, quali idrogeno e combustibili sintetici derivati da quest’ultimo (ammoniaca, metanolo e metano sintetico). L’obiettivo della presente tesi è quello di analizzare le catene energetiche dei vari combustibili menzionati, dalla produzione di idrogeno fino alla propulsione navale, al fine di effettuare un confronto quantitativo tra le stesse e poter così stabilire quali combustibili alternativi costituiscono le migliori soluzioni in termini di efficienza energetica, emissioni di gas serra, costi e autonomia operativa delle navi. È stata inoltre considerata anche una catena energetica basata sul metano fossile liquefatto, così da ampliare i confini nel confronto tra le varie catene energetiche. Ogni filiera energetica è composta da vari processi, più o meno comuni tra le diverse catene. L’analisi si è concentrata su 4 stadi principali: quello di produzione dell’idrogeno mediante elettrolisi alimentata da elettricità rinnovabile, quello di conversione dell’H_2 nel rispettivo combustibile sintetico, quello di compressione o liquefazione di quest’ultimo per l’ottimizzazione del suo accumulo a bordo e infine quello di utilizzo del combustibile nel rispettivo motore a combustione interna per la generazione di energia meccanica utile. Per ogni stadio, dalla letteratura scientifica sono stati raccolti dati di efficienza, emissioni e costi, e infine sono stati aggregati mediante relazioni energetiche comuni, normalizzando i risultati rispetto a un’unità di energia propulsiva [MWh_prop]. Dall’elaborazione dei dati ricavati per ogni catena energetica basata sull’idrogeno, è emerso un intervallo di efficienza che spazia tra 9-43% a seconda del combustibile e della tecnologia di elettrolisi considerata. Allo stesso modo, nello scenario energetico considerato e in presenza di cattura diretta di CO_2 dall’aria, sono state stimate emissioni di gas serra contenute nell’intervallo 8-15 [kg_(CO_(2,eq) )/MWh_prop] per ciascuna catena, mentre, dal punto di vista economico, sono stati ottenuti costi compresi tra 149-390 [$/MWh_prop] a seconda della catena energetica e tecnologia di elettrolisi considerata. Inoltre per ogni combustibile è stata ricavata la rispettiva densità energetica volumetrica, che ha evidenziato come quelli derivati dall’idrogeno permettano di avere una maggiore autonomia navale a parità di volume del serbatoio. Nel complesso, i risultati mostrano che non esiste una catena energetica in assoluto migliore, ma che la scelta del combustibile dipende dal compromesso tra efficienza energetica, emissioni, costi e requisiti operativi delle navi. Il combustibile a cui sono associate le minori emissioni di gas serra e i maggiori valori di efficienza risulta essere l’idrogeno, ma è soggetto al grosso limite di aver bisogno di serbatoi di dimensioni elevate, il che riduce lo spazio utile disponibile a bordo, mentre il metano sintetico liquefatto emerge come una delle soluzioni più equilibrate grazie alla sua elevata densità energetica volumetrica e alla compatibilità con infrastrutture già esistenti.