Life-cycle assessment of wind-powered H2 production with focus on wind supply chain

Hydrogen is seen as one important player in the future energy scenario and its production is expected to largely increase. The satisfaction of this future need must be accompanied by a focus on the social, economic and environmental issues that can arise from the employment of different production technologies. The Life-Cycle Assessment methodology is regarded as the best way to assess these possible problems. This work firstly review and analyse the already published literature on the theme of carbon footprint of electricity production from wind turbine and hydrogen production through wind-powered water electrolysis. Secondly, present a life-cycle assessment of electricity production in Italy from a Chinese wind turbine in three different scenarios: turbine manufactured entirely in China, turbine entirely manufactured in Italy, and only the tower manufactured in Italy. These three scenarios are then applied to a hydrogen production to assess the carbon footprint of hydrogen production. From literature, the global warming potential (GWP) of electricity production in Europe from onshore and offshore wind power present mean values of 9.28 g CO2-eq./kWh and 34.15 g CO2-eq./kWh, respectively. Outside Europe, these values are 12.68 g CO2-eq./kWh and 12.88 g CO2-eq./kWh, respectively. For what concern hydrogen production, the mean values obtained from literature are 1 kg CO2-eq./kg H2 for production in Europe and 0.89 kg CO2-eq./kg H2. Analysing the system in the three scenarios resulted in GWP values of 15.2 g CO2-eq./kWh for the first scenario, 13 g CO2-eq./kWh for the second one, and 14.4 g CO2-eq./kWh for the last one. In all the cases, the manufacturing of the turbine’s components has the major impact, with steel and iron having the highest share of contribution among all the materials inside the turbine. These scenarios applied to the hydrogen production system resulted in GWP values of 0.837 kg CO2-eq./kg H2 for the first one, 0.723 kg CO2-eq./kg H2 for the second one, and 0.795 kg CO2-eq./kg H2 for the last one. In all the cases, the wind turbine system has the highest share of contribution. This work proves that a Chinese supply chain bears higher environmental impacts with respect to an Italian one, thus the importance of the manufacturing process location for wind turbines, especially due to the electricity mix employed in the materials-related processes, and the importance of a green energy system to support the production of renewable technologies.

L'idrogeno è considerato un elemento importante nello scenario energetico futuro e si prevede che la sua produzione aumenterà notevolmente. La soddisfazione di questa esigenza futura deve essere accompagnata da un'attenzione ai problemi sociali, economici e ambientali che possono derivare dall'impiego di diverse tecnologie di produzione. La metodologia della valutazione del ciclo di vita è considerata il modo migliore per valutare questi possibili problemi. Il presente lavoro esamina e analizza innanzitutto la letteratura già pubblicata sul tema dell'impronta di carbonio della produzione di energia elettrica da turbine eoliche e della produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua alimentata dal vento. In secondo luogo, presenta una valutazione del ciclo di vita della produzione di elettricità in Italia da una turbina eolica cinese in tre diversi scenari: turbina interamente prodotta in Cina, turbina interamente prodotta in Italia e solo la torre prodotta in Italia. Questi tre scenari sono poi applicati alla produzione di idrogeno per valutare l'impronta di carbonio della produzione di idrogeno. Dalla letteratura, il potenziale di riscaldamento globale (GWP) della produzione di elettricità in Europa dall'eolico onshore e offshore presenta valori medi di 9,28 g CO2-eq./kWh e 34,15 g CO2-eq./kWh, rispettivamente. Al di fuori dell'Europa, questi valori sono rispettivamente di 12,68 g CO2-eq./kWh e 12,88 g CO2-eq./kWh. Per quanto riguarda la produzione di idrogeno, i valori medi ottenuti dalla letteratura sono 1 kg CO2-eq./kg H2 per la produzione in Europa e 0,89 kg CO2-eq./kg H2. Analizzando il sistema nei tre scenari si sono ottenuti valori di GWP pari a 15,2 g CO2-eq./kWh per il primo scenario, 13 g CO2-eq./kWh per il secondo e 14,4 g CO2-eq./kWh per l'ultimo. In tutti i casi, la produzione dei componenti della turbina ha l'impatto maggiore, con l'acciaio e il ferro che hanno il contributo più alto tra tutti i materiali presenti nella turbina. Questi scenari applicati al sistema di produzione dell'idrogeno hanno portato a valori di GWP di 0,837 kg CO2-eq./kg H2 per il primo, 0,723 kg CO2-eq./kg H2 per il secondo e 0,795 kg CO2-eq./kg H2 per l'ultimo. In tutti i casi, il sistema di turbine eoliche ha la quota più alta di contributo. Questo lavoro dimostra che una catena di fornitura cinese ha impatti ambientali più elevati rispetto a una italiana, e quindi l'importanza del luogo di produzione delle turbine eoliche, soprattutto a causa del mix di elettricità impiegato nei processi legati ai materiali, e l'importanza di un sistema energetico verde per sostenere la produzione di tecnologie rinnovabili.