Il lavoro in questione ha analizzato la possibilità dell'applicazione di van alimentati ad idrogeno ad una la flotta di veicoli di una compagnia di logistica. Inoltre, si è studiato il posizionamento dell'idrogeno nella transizione energetica e le criticità economiche ed ecologiche della produzione di idrogeno verde.

1. APPLICATION OF HYDROGEN IN
LOGISTICAL TRANSPORT:
A MULTI-CRITERIA ANALYSIS FOR
DETERMINING THE BEST VEHICLE
FLEET OPTION
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. Sergio Mario Camporeale
Correlatori:
Chiar.mo Prof. Ing. Marco Torresi
Dr. Ing. Pio Alessandro Lombardi
Laureando:
Claudio De Toma
Utilizzo dell'idrogeno per il trasporto logistico: analisi multicriterio
per stabilire la flotta di veicoli più idonea
TESI DI LAUREA MAGISTRALE
IN
TECNOLOGIE PER LE ENERGIE RINNOVABILI E CENTRALI
TERMICHE
21/02/2020

2. Motivazione
L’alimentazione a idrogeno è la scelta
migliore per una flotta di veicoli per il
trasporto logistico?
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3. Obiettivi della tesi
• Determinare la migliore flotta a zero emissioni per la sostituzione di un
parco veicoli di una compagnia di trasporto logistico.
• Individuare il ruolo delle tecnologie a idrogeno nella transizione energetica.
• Analizzare l’impatto ecologico ed economico della produzione
dell’idrogeno.
• Individuare possibili sviluppi futuri delle tecnologie di produzione
dell’idrogeno.
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4. Idrogeno
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CONTROPRO
• Costi elevati dell’idrogeno e della
strumentazione associata.
• Bassa efficienza energetica.
• Bassa densità energetica volumetrica.
• Assenza di un’infrastruttura capillare.
• Elevata densità di energia per unità di massa
del vettore energetico.
• Può essere prodotto a partire da diverse fonti.
• Permette decarbonizzazione di diversi settori
se prodotto da rinnovabili.
• Utilizzato tramite cella a combustibile, non
produce emissioni inquinanti (NOx).
• È più leggero dell’aria.
4

5. Produzione dell’idrogeno
I costi di produzione sono la componente che influenza maggiormente il costo finale
dell’idrogeno.
Pertanto, sono state analizzate due tecnologie di produzione dell’idrogeno:
• Steam methane reforming
• Elettrolisi dell’acqua
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Hydrogen Europe, “Hydrogen production,” https://hydrogeneurope.eu/hydrogen-production-0
U.S. Department of Energy, “Hydrogen production-electrolysis,” https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis
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6. Produzione dell’idrogeno
Steam methane reforming & Elettrolisi
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ACHEMA, Frankfurt, June 12, 2018, A. Gedik, A. Bode, T. Marquardt, S. Kabelac, Influence of different hydrogen production processes on carbon footprint and cost of selected chemicals
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7. Produzione dell’idrogeno
Steam methane reforming & Elettrolisi
21/02/2020
Per essere la migliore soluzione economica ed
ecologica, il costo dell'idrogeno per elettrolisi
dovrebbe essere:
𝑪 𝑬 ≤ 𝟏𝟏𝟒𝟕 €/t
Ciò corrisponderebbe ad una riduzione dei costi di
almeno il 72,7 %.
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8. Il ruolo dell’idrogeno nella decarbonizzazione
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• Funzione di accumulo
• Produzione di e-fuels
• Integrazione nei settori hard-to-abate
o Raffinazione del petrolio
o Settore chimico
o Settore della produzione di acciaio e ferro
o Settore produzione del calore
• Generazione di calore per gli edifici
• Mobilità sostenibile
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9. Fuel cell electric vehicle
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Anodo: 𝐻2 ⇌ 2H+ + 2𝑒−
Catodo:
1
2
𝑂2 + 2H+
+ 2𝑒−
⇌ 𝐻2 𝑂
Cella a combustibile a membrana
polimerica (PEM)
Principali componenti di un veicolo elettrico a cella a combustibile
https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-fuel-cell-electric-cars-work
9

10. • Percorrenza mensile:
1650 km
• Numero di veicoli: 70
• Percorrenza annuale:
20000 km
• Giorni oltre il range
massimo elettrico: 4
[giorni/mese]
Caso di studio
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Flotta di trasporto
logistico
ALTERNATIVE
Requisiti della
compagnia
ICE : Diesel
BEV: Battery
Electric Vehicle
FCREX: Fuel
Cell Range
Extender vehicle
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11. Metodologia
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• Tecnico
• Economico
• Ecologico
Confronto
AHP: Analitical
Hierarchy Process
MCDA: Multi-
Criteria Decision
Analysis
Analisi di sensitività
dei criteri
Sensitivity
analysis
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12. Confronto
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• Consumo di
“combustibile”
• Range
• Tempo di ricarica o
rifornimento
• Costo del
“combustibile ”
• Costo del veicolo
Confronto
tecnico/economico
TCO: Costo totale
di possesso
Confronto
economico
Emissioni allo scarico:
• CO2 eq.
• PM10
Confronto
ecologico
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13. Analisi decisionale multicriterio (MCDA)
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2
1
3
4
Definizione delle
esigenze e degli
obiettivi dell'utente
1) Bisogni dell’utente
Confronto a coppie di
criteri e sottocriteri
3) Determinazione dei pesi
Definizione dei punteggi delle
opzioni.
Classifica delle opzioni tramite
somma pesata.
4) Classificare le alternative
Individuazione della
struttura gerarchica dei
criteri e dei sottocriteri
che soddisfano tali
esigenze
2) Processo gerarchico
Processo analitico gerarchico (AHP)
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14. Analisi decisionale multicriterio (MCDA)
AHP: Processo gerarchico analitico
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Scelta del
veicolo
Criterio tecnico
Range
Disponibilità di
stazioni di
«rifornimento»
Capacità di carico
Tempo di
ricarica/rifornimento
Criterio
economico
Costo del
«combsutibile»
Costo del veicolo
Costo
dell’infrastruttura
Criterio ecologico
CO2 eq.
PM10
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15. AHP: Processo gerarchico analitico
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𝑃𝑢𝑛𝑡𝑒𝑔𝑔𝑖𝑜 =
𝑖=1
𝑚
𝑤𝑖𝑚 ∙ 𝑟𝑖
Technical Economic Ecologic Pesi wi
Technical 1 1 1 0.333
Economic 1 1 1 0.333
Ecologic 1 1 1 0.333
• Confronto a coppie dei criteri e degli attributi per definire i pesi wi , secondo la
scala di valori di Saaty, che prevede l’assegnazione di valori da 1 a 9 secondo
l’importanza relativa degli attributi.
• Normalizzazione e classificazione degli attributi individuando dei range per ogni
punteggio 𝑟𝑖, in una scala da 1 a 100.
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16. Risultati del confronto tecnico/economico
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Consumo Range (NEDC)
Tempo di
rifornimento/
ricarica
Spazio di
carico[m3
]
Costo
“combustibile”
Costo
“combustibile”
[€/km]
Costo del
veicolo[€]
Nissan NV200 Diesel1 5 [l/100 km] 1100 [km] 5 [min] 4,2 1,3 [€/l] 0,06 18266
VW Caddy Diesel2 4,9 [l/100 km] 1100 [km] 5 [min] 3,2 1,3 [€/l] 0,06 20990
Nissan e-NV200 Transp.3 14,8 [KWh/100
km]
275 [km] 100 [min] 4,2 0,18 [€/KWh] 0,03 34105
Renault Kangoo ZE4 13,2 [KWh/100
km]
170 [km] 567 [min] 3,6 0,18 [€/KWh] 0,02 35305,6
Kangoo Ze H25
0,87 [Kg/100 km] 350 [km] 5 [min] 4,6 9,5 [€/Kg] 0,08 54740
13,2 [KWh/100
km]
0,18 [€/KWh] 0,02
1https://www.nissan.de/fahrzeuge/neuwagen/nv200.html
2https://www.volkswagen-nutzfahrzeuge.de/de/modelle/caddy.html
3https://www.nissan.de/fahrzeuge/neuwagen/e-nv200.html
4https://www.renault.de/modellpalette/renault-modelluebersicht/kangoo-ze/Reichweite.html
5https://www.netinform.de/h2/h2mobility/detail.aspx?ID=561
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17. Risultati del Total Cost of Ownership
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Costo “combustibile”
[€/anno]
Quota annuale(IVA
incl.) [€/anno]
Costi
variabili[€/anno]
Costi fissi[€/anno]
Costi per
l’infrastruttura
[€/anno]
Costi
complessivi[€/anno]
Nissan NV200 Diesel 1284 4336 1893 2232 0 9746
VW Caddy Diesel 1259 4982 1893 2232 0 10367
Nissan e-NV200 Transp. 526 8096 1193 1928 650 12327
Renault Kangoo ZE 469 8381 1193 1928 650 12555
Kangoo Ze H2 554 13835 1733 2200 646 18902
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18. Risultati dell’analisi multicriterio
21/02/2020
Range [km]
Disponibilità di
“stazioni di
ricarica”
Capacità di
carico [kg]
Tempo di
ricarica/rifornim
ento [min]
Costo
“combustibile”[€
/a]
Costo veicolo
[€/a]
Costo
infrastruttura [€]
CO2 eq.
[g/km]
PM10
[g/km]
Total
Nissan NV200 Diesel 100 100 80 100 20 100 100 60 80 79,44
VW Caddy Diesel 100 100 40 100 20 80 100 60 80 73,88
Nissan e-NV200 Transp. 60 60 80 20 100 60 60 100 100 73,88
Renault Kangoo ZE 40 60 60 20 100 60 60 100 100 70,55
Kangoo Ze H2 80 20 100 100 100 20 60 100 100 76,11
Nel caso di pesi equivalenti per i criteri, il van Nissan NV200 Diesel risulta la miglior scelta possibile per l’utente
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19. Risultati dell’analisi di sensitività
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Il veicolo con il range extender ad idrogeno risulta
essere la migliore scelta quando:
• Ecologico = Tecnico > Economico
• Ecologico > Tecnico = Economico
• Ecologico > Tecnico > Economico
Il veicolo elettrico risulta la migliore scelta quando:
• Economico > Ecologico > Tecnico
• Tecnico > Ecologico > Economico
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20. Conclusioni
• L'alimentazione a idrogeno è attualmente una soluzione praticabile ma non
conveniente dal punto di vista economico per il trasporto logistico. Tuttavia,
sotto determinate condizioni è considerabile la migliore alternativa
percorribile.
• Una grande domanda di idrogeno verde necessiterebbe di una notevole
produzione di elettricità da fonti rinnovabili.
• È necessaria una riduzione dei costi fissi e dei costi dell’elettricità affinché la
produzione di idrogeno verde sia economicamente conveniente rispetto allo
steam methane reforming.
• Lo sviluppo del settore dell’idrogeno necessita di investimenti per la ricerca e
lo sviluppo, di incentivi che promuovano le economie di scala e la tassazione
della CO2 prodotta da tutti i settori.
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21. Outlooks
• Considerare i veicoli ibridi come alternative di scelta;
• applicazione di diversi metodi di analisi decisionale;
• applicare lo studio ad altri Paesi;
• studiare le diverse fasi della catena dell'idrogeno;
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22. GRAZIE PER L’ATTENZIONE