Life cycle biodiversity impact assessment of green and grey hydrogen production

Abstract

In this thesis, the biodiversity impacts of green hydrogen produced with solar energy and alkaline water electrolysis and grey hydrogen produced with steam methane reforming of natural gas were evaluated on terrestrial and freshwater ecosystems using life cycle assessment methodology. The impacts were assessed in terms of climate change, water stress, and land stress impact categories using the LC-IMPACT and GLAM impact assessment methods. The aim was to identify the most significant life cycle stages and the optimal locations for green hydrogen production.

According to the results, the greatest impacts in grey hydrogen production are caused by the water use during the reforming process and greenhouse gas emissions from natural gas use. In green hydrogen production, the greatest impacts on terrestrial ecosystems are caused by the manufacturing or use of solar panels, and on freshwater ecosystems by the manufacturing of solar panels or the water use in electrolysis. In addition to land use and water consumption, emissions from the electricity used in the production of solar panels emerged as a key driver of impacts, highlighting the importance of using renewable energy throughout the life cycle.

In nearly all countries, the biodiversity impacts of green hydrogen production are lower than the average impacts of grey hydrogen production. The optimal and most harmful locations for green hydrogen production in terms of terrestrial and freshwater ecosystems are largely contradictory. However, according to the results, the Sahara Desert and the surrounding countries are one of the most attractive locations for green hydrogen production. In reality, the fresh water is scarce, and large-scale hydrogen production could lead to a significant increase in water stress. Furthermore, some countries in Northern and Central Europe, the Middle East, and Asia do not stand out as particularly harmful to either ecosystem type. The impacts caused in these countries are not particularly small, but neither do they benefit one ecosystem type at the expense of the other. However, the results are rough and indicative. The conditions and, consequently, biodiversity impacts may vary considerably even within countries. More detailed case-by-case analyses should be carried out for each region to get more accurate results.

Tässä diplomityössä aurinkoenergialla ja alkalielektrolyysillä tuotetun vihreän ja maakaasusta metaanin höyryreformoinnilla tuotetun harmaan vedyn biodiversiteettivaikutuksia maa- ja makean veden ekosysteemeille selvitettiin elinkaarimallinnuksen avulla. Vaikutuksia tarkasteltiin ilmastonmuutoksen, vedenkulutuksen ja maankäytön vaikutusluokissa käyttäen LC-IMPACT- ja GLAM-vaikutustenarviointimetodeja. Tavoitteena oli tunnistaa vaikutusten kannalta merkittävimmät elinkaaren vaiheet ja optimaaliset sijainnit vihreän vedyn tuotannolle.

Tulosten perusteella harmaan vedyn tuotannossa suurimmat vaikutukset aiheutuvat reformointiprosessissa käytetystä vedestä sekä maakaasun käytöstä aiheutuvista kasvihuonekaasupäästöistä. Vihreän vedyn tuotannossa suurimmat vaikutukset maaekosysteemeille aiheuttaa aurinkopaneelien tuotanto- tai käyttövaihe ja vesiekosysteemeille aurinkopaneelien tuotanto tai elektrolyysissä käytetty vesi. Maankäytön ja vedenkulutuksen lisäksi keskeiseksi tekijäksi nousi aurinkopaneelien tuotannossa käytetyn sähkön päästöt, mikä korostaa uusiutuvan energian käytön merkitystä koko elinkaaren ajan.

Lähes kaikissa maissa vihreän vedyn tuotannon biodiversiteettivaikutukset ovat harmaan vedyn tuotannon keskimääräisiä vaikutuksia pienemmät. Maa- ja makean veden ekosysteemien kannalta optimaaliset ja haitallisimmat sijainnit vihreän vedyn tuotannolle ovat suurelta osin vastakkaiset. Saharan aavikko ja sitä ympäröivät maat ovat kuitenkin tulosten perusteella yksi houkuttelevimmista paikoista vihreän vedyn tuotannolle. Todellisuudessa siellä on niukasti makeaa vettä ja laajamittainen vedyn tuotanto voi johtaa voimakkaaseen vesistressin lisääntymiseen. Lisäksi jotkin maat Pohjois- ja Keski-Euroopassa, Lähi-Idässä ja Aasiassa eivät erotu erityisen haitallisina kummankaan ekosysteemityypin kannalta. Niissä aiheutuvat vaikutukset eivät siis ole erityisen pieniä, mutta ne eivät myöskään hyödytä toista ekosysteemityyppiä toisen kustannuksella. Saadut tulokset ovat kuitenkin karkeita ja suuntaa antavia. Olosuhteet ja sitä myötä biodiversiteettivaikutukset voivat todellisuudessa vaihdella huomattavastikin jopa maiden sisällä. Tarkempien tulosten saamiseksi tulee tehdä yksityiskohtaisempia, tapauskohtaisia analyyseja kuhunkin alueeseen liittyen.