In response to the growing urge towards decarbonisation, more and more initiatives have been set to reduce and/or compensate the level of CO2 (carbon dioxide) emitted by human activities, which is one of the main responsible of the incumbent threats of “global warming” and “climate change”. “Climate neutrality by 2050” has become a decisive topic for political agendas worldwide and, against that background, the hydrogen economy can play a significant role. More and more countries have launched roadmaps and strategies for the creation of hydrogen value chains at national and international level. Also on regional scale, local integrated hydrogen ecosystems are growing, the so-called “Hydrogen Valleys”. These include German region North Rhine-Westphalia (NRW), which officially presented a hydrogen roadmap in November 2020, establishing targets for both the short (2025) and medium terms (2030) for the adoption of hydrogen in the sectors of Mobility, Industry, Energy & Infrastructure. The purpose of the present thesis is to investigate techno-economic strategies for the introduction of a hydrogen infrastructure in NRW over the next 15 years (2035), enabling the achievement of the abovementioned targets. Moreover, being buses explicitly mentioned within NRW hydrogen roadmap, the present thesis focuses on strategies to ensure the optimal deployment of hydrogen buses within the region. The work is conducted with support from the research institute of Forschungszentrum Jülich (FZJ), North-Rhine Westphalia, Germany. A simulation model (H2MIND) developed by FZJ is taken as main research tool. The output from two other models by FZJ (FINE-NESTOR and FINE-Infrastructure, respectively), which defined the scenario behind the NRW H2 Roadmap, are reviewed and served as starting point for the adaptation of the H2MIND model. An integrative mapping activity regarding i) existing bus depots for NRW population mobility and ii) existing steel production sites in Germany serves the purpose of increasing the resolution of H2MIND model in the geospatial description of the potential hydrogen refuelling stations for bus companies in NRW. Both the hydrogen demand and production derived from FINE-NESTOR are distributed geospatially over Germany for the years 2025-2030-2035, according to the hydrogen-related technologies modelled within H2MIND. The demand is broken down into Buses, Trains, Cars, Heavy-Duty Vehicles (HDVs) and Light Commercial Vehicles (LCVs), Material Handling Vehicles (MHVs), Industrial uses for Steel, Ammonia, Methanol and other Chemicals. The production is modelled around onshore wind power plants, steam methane reforming industrial locations and import. Four hydrogen supply chain pathways were compared by H2MIND simulations: i) transport and distribution by gaseous hydrogen trailers (‘GH2 trucks’), ii) transport and distribution by liquefied hydrogen trailers (‘LH2 trucks’), iii) transport via newly built hydrogen pipelines plus distribution via gaseous hydrogen trailers (‘new pipelines’), iv) transport via reassigned natural gas pipelines plus distribution via gaseous hydrogen trailers (‘reassigned NG pipelines’). The analysis and assessment of the H2MIND simulation results are conducted mainly on economic merit. The key variable used for the assessment is the weighted average Total Expense (TOTEX) [€/kg H2]. This comparison is carried out from global-cost perspective, then the cost breakdown is considered in order to identify specific features in the cost determination. The weighted average TOTEX is calculated also for the case of onsite renewable energy-based electrolysis at bus hydrogen refuelling stations, in order to understand how such a strategic choice could impact the overall hydrogen supply chain cost – various shares of self-sufficiency at bus depots are considered, ranging from 0% (fully centralized configuration, no self-sufficiency) to 100% (total self-sufficiency, complete independent). An overall three-fold increase in hydrogen demand is expected between the years 2025 and 2035 (from 450.72 kt/yr to 1,862.33 kt/yr in Germany, and from 177.87 kt/yr to 519.16 kt/yr in NRW). Both on national and regional level, the main demand driver is expected to shift from the Industrial sector (in 2025) to Mobility (in 2035). As for the geospatial distribution, NRW concentrates the highest hydrogen demand in the country, covering alone approximatively one third of the total German hydrogen demand. Within NRW, the relevance of a district depends on what hydrogen-consuming sector is considered. For Mobility and public transportation, based on the allocation factors used within H2MIND model, Köln ranks as the8 |district with highest demand in many mobility sectors. For buses, Aachen, Wuppertal, Düsseldorf are the three top cities in the ranking in addition to Köln. Recommendation is that investments focus on high hydrogen-demand districts during the start-up phase of infrastructure development (period 2025-2035), where higher utilization factors of the infrastructural assets are expected and financial risks are therefore minimized. Looking into the weighted average TOTEX for the four analysed pathways, gaseous hydrogen trailers (‘GH2 trucks’) are the most convenient option for connecting production and consumption during the start-up phase of infrastructure development (period 2025-2035). Growing cost competitiveness is expected for ‘reassigned NG pipelines’ after 2035, thanks to the increased hydrogen demand and the higher utilization factor for pipelines. For the period 2025-2035, a fully centralized hydrogen supply pathway is the best option for covering bus-related hydrogen demand in the introductory phase of hydrogen infrastructure creation, with cost parity for onsite electrolysis being expected for the future after 2035. / Som svar på kraven på minskade koldioxidutsläpp har fler och fler initiativ tagits för att minska och/eller kompensera nivån av CO2 (koldioxid) som släpps ut på grund av mänskliga aktiviteter, vilket är en av de främsta orsakerna till de nuvarande hoten om "global uppvärmning". ” och ”klimatförändringar”. "Klimatneutralitet till 2050" har blivit ett avgörande inslag på politiska agendor världen över och mot den bakgrunden kan vätgasekonomin spela en betydande roll. Fler och fler länder har lanserat färdplaner och strategier för att skapa värdekedjor för vätgas på nationell och internationell nivå. Även i regional skala växer lokala integrerade vätgas-ekosystem, de så kallade "vätgasdalarna". Dessa inkluderar den tyska regionen Nordrhein-Westfalen (NRW), som officiellt presenterade en färdplan för vätgas i november 2020, som fastställde mål för både kort (2025) och medellång sikt (2030) för införandet av vätgas inom sektorerna rörlighet, industri, Energi & Infrastruktur. Syftet med denna avhandling är att undersöka tekniska och ekonomiska strategier för införandet av en vätgasinfrastruktur i NRW under de kommande 15 åren (2035), vilket gör det möjligt att uppnå ovan nämnda mål. Dessutom, eftersom bussar uttryckligen nämns i NRW:s vätgasfärdplan, fokuserar detta examensarbete på strategier för att säkerställa en optimal utplacering av vätgasbussar inom regionen. Arbetet bedrivs med stöd från forskningsinstitutet Forschungszentrum Jülich (FZJ), Nordrhein-Westfalen, Tyskland. En simuleringsmodell (H2MIND) utvecklad av FZJ används som huvudverktyg för forskning. Resultatet från två andra modeller av FZJ (FINE-NESTOR respektive FINE-Infrastructure), som definierade scenariot bakom NRW H2 Roadmap, granskas och tjänade som utgångspunkt för anpassningen av H2MIND-modellen. En integrerad kartläggning av i) befintliga bussdepåer för NRW-befolkningsrörlighet och ii) befintliga stålproduktionsanläggningar i Tyskland tjänar syftet att öka upplösningen av H2MIND-modellen i den geospatiala beskrivningen av potentiella vätgastankstationer för bussföretag i NRW. Både vätgasefterfrågan och produktionen från FINE-NESTOR distribueras geospatialt över Tyskland för åren 2025-2030-2035, enligt de vätgasrelaterade teknologierna som modelleras inom H2MIND. Efterfrågan är uppdelad i bussar, tåg, bilar, tunga fordon (HDV) och lätta kommersiella fordon (LCV), materialhanteringsfordon (MHV), industriell användning för stål, ammoniak, metanol och andra kemikalier. Produktionen är modellerad kring vindkraftverk på land, ångmetanreformerande industrilokaler och import. Fyra varianter av vätgasförsörjningskedjan jämfördes med H2MIND-simuleringar: i) transport och distribution med gasformiga vätgassläp ('GH2-lastbilar'), ii) transport och distribution med släp för flytande väte ('LH2-lastbilar'), iii) transport via nybyggda vätgas rörledningar plus distribution via släp för gasformigt vätgas (”nya pipelines”), iv) transport via tidigare naturgasledningar plus distribution via släp för gasformigt väte (”om-utnyttjade naturgasrörledningar”). Analysen och bedömningen av H2MIND-simuleringsresultaten utförs huvudsakligen på ekonomiska meriter. Den nyckelvariabel som används för bedömningen är den vägda genomsnittliga totala kostnaden (TOTEX) [€/kg H2]. Denna jämförelse görs ur ett globalt kostnadsperspektiv, sedan analyseras kostnadsfördelningen för att identifiera specifika egenskaper i kostnadsbestämningen. Det viktade genomsnittet av TOTEX beräknas även för fallet med elektrolys baserad på förnybar energi på plats vid vätgastankstationer för bussar, för att förstå hur ett sådant strategiskt val skulle kunna påverka den totala kostnaden för vätgasförsörjningskedjan – olika andelar av självförsörjning vid bussdepåer övervägs, allt från 0 % (helt centraliserad konfiguration, ingen självförsörjning) till 100 % (total självförsörjning, fullständigt oberoende). En övergripande trefaldig ökning av efterfrågan på vätgas förväntas mellan åren 2025 och 2035 (från 450,72 kt/år till 1 862,33 kt/år i Tyskland och från 177,87 kt/år till 519,16 kt/år i NRW). Både på nationell och regional nivå förväntas den främsta efterfrågedrivkraften flyttas från industrisektorn (2025) till mobilitet (2035). När det gäller den geospatiala fördelningen, koncentrerar NRW den högsta efterfrågan på vätgas i landet, och täcker ensam ungefär en tredjedel av det totala tyska vätgasbehovet. Inom NRW beror ett10 |distrikts relevans på vilken vätgasförbrukande sektor som betraktas. För Mobilitet och kollektivtrafik, baserat på allokeringsfaktorer som används inom H2MIND-modellen, rankas Köln som det distrikt med högst efterfrågan inom många mobilitetssektorer. För bussar är Aachen, Wuppertal, Düsseldorf de tre bästa städerna i rankingen förutom Köln. Rekommendation är att investeringar fokuserar på distrikt med hög efterfrågan på vätgas under uppstartsfasen av infrastrukturutveckling (perioden 2025–2035), där högre utnyttjandefaktorer av infrastrukturtillgångarna förväntas och finansiella risker därför minimeras. Om man tittar på det vägda genomsnittliga TOTEX för de fyra analyserade varianterna, är släp med väte i gasform (‘GH2-lastbilar’) det lämpligaste alternativet för att koppla samman produktion och konsumtion under uppstartsfasen av infrastrukturutvecklingen (perioden 2025–2035). Ökande kostnadsfördelar förväntas för "om-utnyttjade naturgasrörledningar" efter 2035, tack vare den ökade efterfrågan på vätgas och den högre utnyttjandefaktorn för rörledningar. För perioden 2025–2035 är en helt centraliserad vätgasförsörjningsväg det bästa alternativet för att täcka bussrelaterad efterfrågan på vätgas i den inledande fasen av etablerandet av en vätgasinfrastruktur, med kostnadsparitet för elektrolys på plats vilket förväntas vara lösningen efter 2035.

Development of modern safety standards for hydrogen storage infrastructure requires fundamental insight into the physics of buoyant gas dispersion into ambient air. Also, from a practical engineering stand-point, flow patterns and dispersion of gas originating from orifices in the side wall of circular pipe or storage tank need to be studied. In this thesis, novel configurations were considered to investigate the evolution of turbulent jets issuing from realistic pipeline geometries. First, the effect of jet densities and Reynolds numbers on vertical jets were investigated, as they emerged from the side wall of a circular pipe, through a round orifice. The resulting jet flow was thus issued through a curved surface from a source whose original velocity components were nearly perpendicular to the direction of the ensuing jets. Particle image velocimetry (PIV) and planar laser-induced fluorescence (PLIF) techniques were employed simultaneously to provide instantaneous and time-averaged flow fields of velocity and concentration. The realistic flow arrangement resulted in an asymmetric flow pattern and a significant deflection from the vertical axis of jets. The deflection was influenced by buoyancy, where heavier gases deflected more than lighter gases. These realistic jets experienced faster velocity decay, and asymmetric jet spreading compared to round jets due to significant turbulent mixing in their near field. In addition to that, horizontal multi-component jets issuing from a round orifice on the side wall of a circular tube were also investigated experimentally by the means of simultaneous velocity and concentration measurements. A range of Reynolds numbers and gas densities were considered to study the effects of buoyancy and asymmetry on the resulting flow structure. The realistic pipeline jets were always exhibited an asymmetry structure and found to deflect about the jet's streamwise axis in the near field. In the far field, the buoyancy dominated much closer to the orifice than expected in the axisymmetric round jet due to the realistic leak geometry along with the pipeline orientation considered in this study. In general, significant differences were found between the centreline trajectory, spreading rate, and velocity decay of conventional horizontal round axisymmetric jets issuing through flat plates and the pipeline leak-representative jets considered in the present study. Finally, the dispersion of turbulent multi-component jets issuing from high-aspect-ratio slots on the side wall of a circular tube were studies experimentally by employing simultaneous PIV and PLIF techniques. Two transversal & longitudinal oblong geometries in respect to the longitudinal axes of the tube , and with an aspect ratio of 10 were considered in this study. Both horizontal and vertical orientations along with broad range of Reynolds numbers and gas densities were considered to investigate the effects of buoyancy and asymmetry on the resulting flow structure. The ensuing jets were found to deflect along the jet streamwise axis, once more, due to the realistic pipeline leak-representative configuration. It was also found that increases in aspect ratio of these realistic jets caused a reduction in the angle of deflection, jet centreline decay rates and the width growth on both velocity and scalar fields compared to their round jets counterparts, most notably in the far field. These findings indicate that conventional jets (those that are issuing through flat surfaces) assumptions are inadequate to predict gas concentration, entrainment rates and, consequently, the extent of the flammability envelope of realistic gas leaks. Thus, extreme caution is required when using conventional jet assumptions to describe the physics of a buoyant jet emitted from realistic geometries. / Graduate