Environmental aspects of offshore H2 production from offshore wind farms

Abstract

Overgangen fra fossile brensler til lavkarbonalternativer, inkludert hydrogen, er avgjørende for å redusere utslippet av klimagasser samtidig som den globale energietterspørselen imøtekommes. En forventet økning i global hydrogenproduksjon og etterspørsel har gitt Norge potenisalet til å bidra som en storstilt produsent av grønt hydrogen. Gjennom en omfattende litteraturgjennomgang og livssyklusanalyse (LCA) utforsker dette prosjektet mulighetene og miljøkonsekvensene ved produksjon av hydrogen til havs ved bruk av elektrisitet fra havvind langs den norske kysten. Analysen identifiserte et grunnleggende scenario som omfattet flytende havvind, proton-utveksling membran (PEM) elektrolyse, rørledningstransport, komprimering og lagring på land, og innenlandsk distribusjon med lastebiler. Resultatene fra livsløpsanalysen estimerte en miljøpåvirkning for alle evaluerte scenarioer hovedsakelig i området 1 - 2 kg CO2-ekv./kg H2, når man ekskludererte påvirkningen fra hydrogenlekkasje, primært på grunn av utslipp fra stålproduksjonen til vindturbinene. Grunnscenarioet resulterte i en innvirkning på 1.32 kg CO2-ekv./kg H2. Det viste seg at overgangen til bunnfast havvindteknologi og lagring i saltgruver hadde den mest positive miljøpåvirkningen i hydrogenverdikjeden. Som et resultat oppnådde det beste scenariet, som integrerte disse miljømessig gunstige alternativene, et utslipp på 0.95 kg CO2-ekv./kg H2. I motsetning til tidligere litteratur inkluderte denne forskningen miljøpåvirkningen fra hydrogenlekkasje. Vurderingen avdekket at en hydrogenlekkasjerate på 5% og en GWP100-påvirkning på åtte, resulterte i en miljøpåvirkning på 0.42 kg CO2-ekv./kg H2. Dette ga deretter en total miljøpåvirkning på 1.74 kg CO2-ekv./kg H2 for grunnscenarioet. Videre, når man vurderte kortlevde gasser ved hjelp av GWP20 vurdering, var påvirkningen fra hydrogenlekkasje enda høyere. Til tross for Norges lovende potensial, kreves det både reduksjon av hydrogenlekkasjer og økt produksjon av grønt hydrogen gjennom mer bærekraftige metoder for å oppnå maksimal reduksjon av klimapåvirkingen under en storstilt overgang til en hydrogenøkonomi.

Transitioning from fossil fuels to low-carbon alternatives, including hydrogen, is crucial to reduce greenhouse gas (GHG) emissions while meeting the global energy demand. An expected global increase in hydrogen demand has given Norway the potential to contribute as a large-scale producer of green hydrogen. Through an extensive literature review and life cycle assessment (LCA), this project explores the possibilities and environmental impacts of offshore hydrogen production through the utilization of co-located offshore electrolyzers at offshore wind farms along the Norwegian coast. The analysis identified a baseline scenario incorporating floating offshore wind turbines, proton-exchange membrane (PEM) electrolysis, pipeline transportation, onshore compression and storage, and domestic truck distribution. Findings from the conducted LCA estimated an environmental impact for all evaluated scenarios, mainly in the range of 1 - 2 kg CO2-eq./kg H2, when excluding the impact from hydrogen leakage, primarily due to emissions from steel production for the offshore turbines. The baseline scenario specifically yielded an impact of 1.32 kg CO2-eq./kg H2. Notably, shifting to bottom-fixed turbines and salt cavern storage demonstrated the most significant positive environmental impact, giving a best-case scenario, which integrated these environmentally favorable alternatives, an impact of 0.95 kg CO2-eq./kg H2. In contrast to previous literature, this research included the environmental impact from hydrogen leakage. The assessment revealed that a hydrogen leakage rate of 5% and a GWP100 impact of eight resulted in an environmental impact of 0.42 kg CO2-eq./kg H2, which yielded a total environmental impact of 1.74 kg CO2-eq./kg H2 for the baseline scenario. Moreover, when considering shorter-lived gases using the GWP20 metric, the impacts of hydrogen leakage were even higher. Despite Norway's promising potential, achieving a maximum reduction of climate impact during a large-scale transition to a hydrogen economy necessitates both the reduction of hydrogen leakage rates and the increased production of green hydrogen through more sustainable material production pathways.