Projecto óptimo da rede de produção e abastecimento de hidrogénio a grandes consumidores industriais em Portugal

Abstract

This thesis proposes the modeling and optimization of a hydrogen production and distribution network to industrial consumers in Portugal, aiming the optimization of the locations of each producer node, the technologies to be used in each stage of the network and the hydrogen flows exchange between producer and consumer nodes.As a methodology, economic data was collected and the most viable technologies for use were defined. In the modelling, a Mixed-Integer Linear Problem (MILP) was formulated to minimize the average final cost of hydrogen. In this model, scale economy evolutions are considered.The optimal structure for each scenario stipulated in the National Strategy for Hydrogen was analyzed, aligning the optimization of the network with the energy transition forecasted for Portugal. Economic comparisons were made between the average final cost of hydrogen with the natural gas price, as well as price and cost forecasts with increasing carbon tax. In addition, a sensitivity analysis of some input data was carried out, namely electricity price, water price and storage costs.Finally, it was concluded that, for the production of hydrogen as a raw material, Steam Methane Reforming (SMR) continues to be the favorite technology for the next, even with the increase in the price of natural gas and the carbon tax. As for “green hydrogen”, the reduction in investment and operating costs of PEM electrolysis will, in the near future, make this technology the most viable compared to alkaline electrolysis. Ammonia and dibenzyltoluene (DBT) will only be options for the transport of hydrogen over long distances and with an evolution of the economy of scale in the investment costs of the necessary infrastructure. Transport by pipeline with a hydrogen and natural gas mixture is the preferred method for distribution in Portugal due to the existing network and the amount transported being higher than the other means. Subsidizing “green hydrogen” production and distribution projects is the most instant way to make it competitive with natural gas, requiring a support of 83% and 95% for investment and operating costs, respectively.

Nesta dissertação propõem-se a modelação e otimização de uma rede de produção e distribuição de hidrogénio a consumidores industriais em Portugal com os objetivos de definir as localizações ótimas de cada nodo produtor, as tecnologias a utilizar em cada etapa da rede e os fluxos de hidrogénio a trocar entre nodos produtores e consumidores. Como metodologia, recolheu-se dados económicos e definiu-se as tecnologias mais viáveis de utilização. Quanto à modelação, esta é realizada tratando um Mixed-Integer Linear Problem (MILP) em que se minimiza o custo médio final do hidrogénio. Neste modelo considerou-se evoluções de economia de escala.Analisou-se a estrutura ótima para cada um dos cenários estipulados na Estratégia Nacional para o Hidrogénio, alinhando a otimização da rede com a transição energética prevista para Portugal. Foram feitas comparações económicas entre o custo médio final do hidrogénio e o preço do gás natural, bem como previsões de preços e custos com o aumento da taxa de carbono. Além disso, realizou-se uma análise de sensibilidade de alguns dados de entrada, nomeadamente o preço da eletricidade, o preço da água e os custos de armazenamento.Por fim, concluiu-se que, para produção de hidrogénio como matéria-prima, o Steam Methane Reforming (SMR) continua a ser a tecnologia preferencial para os próximos, mesmo com o aumento do preço do gás natural e da taxa de carbono. Quanto ao “hidrogénio verde”, a diminuição dos custos de investimento e de operação da eletrólise PEM tornará, num futuro próximo, esta tecnologia a mais viável face à eletrólise alcalina. O amoníaco e o dibenziltolueno (DBT) apenas serão opções para o transporte de hidrogénio em longas distâncias e com uma evolução da economia de escala dos custos de investimento das infraestruturas necessárias. O transporte por gasoduto com mistura de hidrogénio com gás natural é o método preferencial para a distribuição em Portugal devido à rede já existente e às quantidades transportadas serem mais elevadas do que os restantes meios. A subsidiação de projetos de produção e distribuição de “hidrogénio verde” é a forma mais imediata de o tornar competitivo face ao gás natural, sendo necessário um apoio de 83% e 95% para os custos de investimento e operação, respetivamente.