Prospective Environmental Impacts of Selected Low-Carbon Electricity Technologies
Doctoral thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2372777Utgivelsesdato
2015Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Abstract: As one of the main contributors to greenhouse gas (GHG) emissions, the global
electricity production sector faces the challenge of mitigating its emissions by
transitioning towards cleaner production technologies. In light of this transition, it has
been shown that even though renewable energy technologies have clear benefits over
fossil generation technologies, there are trade-offs from an environmental and
material perspective (Hertwich et al. 2015; Singh et al. 2015). Within the broader
scope of sustainable development, care must be taken in climate change mitigation to
avoid problem-shifting between environmental impacts.
The aim of this thesis is to shed light on the prospective environmental impacts of
low-carbon electricity production technologies. Life Cycle Assessment (LCA) was
chosen as assessment method for its comprehensive scope. It is detailed enough to
estimate prospective impacts with a level of detail that is typically not available for
other types of environmental assessment methods. Two key challenges associated
with the LCA of electricity technologies were identified: input data variability and
uncertainty, and the challenge of matching electricity supply and demand due to
intermittent solar and wind resources. It is of importance to take these challenges into
account in the environmental assessment of electricity technologies.
Against this background, four papers are presented in this thesis. The first paper
discusses the influence of fugitive methane emissions on the life cycle GHG emissions
of fossil fuel based electricity generation. The other three papers investigate more
closely the environmental impacts of electricity technologies, while taking into
account the variability and market dispatch of supply from renewable resources.
Paper II aims to quantify the additional environmental impacts of extending an
offshore wind farm with compressed air energy storage (CAES) for balancing
purposes. The influence of economic electricity dispatch on capacity factor
assumptions and environmental impacts is studied in Paper III. The prospective
environmental impacts of high-renewable electricity production regimes, including
intermittency and economic dispatch, are discussed in the final paper. It is shown in Paper I that GHG emissions from fossil fuel power generation vary more
widely than commonly acknowledged as a result of large variability in fugitive
methane emissions. Where CO2 capture and storage (CCS) reduces the GHG emissions
at power plants, it increases the upstream fugitive emissions per unit generation. The
high variability in results points to a need for more measured data to reduce the
uncertainty in the dataset, as well as a potential mitigation opportunity by capturing
methane during fossil fuel extraction.
It is shown in Paper II that the additional environmental impacts related to balancing
offshore wind power with CAES are limited and combined impacts are well below
average grid impacts. Both conventional and adiabatic CAES are investigated. The
majority of environmental impacts can be attributed to either the combustion of
natural gas in conventional compressed air systems, or the thermal energy storage in
adiabatic systems.
It is shown in Paper III that the utilization of electricity technologies is determined by
the economic dispatch, and is of influence on the capacity factor estimation of
individual technologies. The sensitivity of impact assessment for the capacity factor
estimation is large for infrastructure intensive technologies and can vary across
different impact categories.
It is shown in Paper IV that increasing the share of renewable electricity in the mix,
decreases impacts significantly. Impact indicators are aggregated into a single impact
according to four distinct weighting methods. Large variation in impact is observed
for scenarios with comparable levels of renewable electricity production, but different
shares of individual technologies. Specific renewable technology targets could inform
the setting of renewable energy targets motivated by impact reduction.
The thesis as a whole shows that, while the impacts of low-carbon electricity cannot
be underestimated, there is significant environmental improvement potential related
to the transition to a low-carbon electricity system. The additional environmental
pressures associated with balancing electricity supply and demand appear to be
relatively limited. The impact reductions achieved by additional low-carbon capacity
more than outweigh the potential adverse effects related to its construction. Sammendrag
Den globale elektrisitetsproduksjonssektoren er en av de viktigste bidragsyterne til
utslipp av klimagasser (GHG) og står foran utfordringen ved å gå over til renere
produksjonsteknologier for å redusere disse utslippene. Selv om fornybare
energiteknologier har klare fordeler sammenlignet med fossile teknologier, finnes det
avveininger fra et miljø- og materialperspektiv (Hertwich et al 2015;. Singh et al
2015). Innenfor den bredere rammen av bærekraftig utvikling, må man passe på å
gjennomføre klimatiltak som unngår forskyvning av problemene mellom ulike
miljøpåvirkninger.
Målet med denne avhandlingen er å kaste lys over de potensielle miljøkonsekvensene
av elektrisitetsproduksjonsteknologier med lave utslipp av klimagasser.
Livsyklusvurdering (LCA) er valgt som vurderingsmetode på grunn av sitt omfattende
omfang. Det er spesifikt nok til å anslå potensielle konsekvenser med et detaljnivå
som tradisjonelt ikke er tilgjengelig for andre typer miljøvurderingsmetoder. To
viktige utfordringer knyttet til LCA av elektrisitetsteknologier ble identifisert:
variabilitet og usikkerhet fra inndata, og utfordringen med matchende
elektrisitetsforsyning og -etterspørsel på grunn av uregelmessige sol- og
vindressurser. Det er av betydning å ta disse utfordringene i betraktning i
miljøvurderinger av elektrisitetsteknologier.
Mot denne bakgrunnen er fire artikler presentert i denne avhandlingen. Den første
artikkelen diskuterer innflytelsen av metanlekkasje på klimagassutslippene forbundet
med fossilbasert kraftproduksjon. De tre andre artiklene undersøker nærmere de
miljømessige konsekvensene av kraftteknologier, med samtidig hensyn til variasjon av
produksjon fra fornybare ressurser og økonomisk driftsplanlegging av levering. Paper
II tar sikte på å kvantifisere de ekstra miljømessige konsekvensene av å utvide en
vindpark nær kysten med trykkluftsbasert energilagring (CAES) for
balanseringsformål. Påvirkningen av økonomisk driftsplanlegging på
kapasitetsfaktorforutsetninger og miljøkonsekvenser er studert i Paper III. De
potensielle miljømessige konsekvensene av høy-fornybare regimer, inkludert
variabilitet av levering og driftsplanlegging, er omtalt i den siste artikkelen.
Det er vist i Paper I at klimagassutslipp fra fossil kraftproduksjon varierer mer enn
tradisjonelt antatt som et resultat av stor variasjon i metanutslipp. CO2-fangst og
lagring (CCS) reduserer klimagassutslippene på kraftverk, men øker oppstrøms behov
for brennstoff og derfor også lekkasje per enhet produksjon. Den høye variasjonen i
resultatene peker på et behov for flere målepunkter for å redusere usikkerheten i
datasettet, samt en potensiell mulighet for å redusere klimagassutslipp ved å fange
metan ved utvinning av fossile brensler.
Det er vist i Paper II at økningen i miljøeffekter knyttet til å balansere offshore
vindkraft med CAES er begrenset og at totaleffektene er betydelig lavere enn
gjennomsnittet for kraftproduksjon. Både konvensjonell og adiabatisk CAES blir
undersøkt. De fleste av miljøeffektene kan tilskrives enten forbrenning av naturgass i
konvensjonelle trykkluftsystemer, eller lagring av termisk energi i adiabatiske
systemer.
Det er vist i Paper III at utnyttelsen av kraftproduksjonsteknologier er bestemt av
økonomisk driftsplanlegging, og har innflytelse på estimering av kapasitetsfaktor for
individuelle teknologier. Miljøvurderinger av infrastruktur-intensive teknologier er
følsomme for estimater av kapasitetsfaktor og kan variere mellom ulike
påvirkningskategorier.
Det er vist i Paper IV at å øke andelen av fornybar elektrisitet i miksen, reduserer
miljøeffektene betydelig. Miljøeffekter er samlet i henhold til fire forskjellige
vektingsmetoder. Stor variasjon i effektene er observert for scenarier med
sammenlignbare nivåer av fornybar elektrisitetsproduksjon, men ulike andeler av de
ulike teknologiene. Spesifikke mål for individuelle fornybare teknologier kan forbedre
utformingen av fornybare energimål motivert av miljøhensyn.
Avhandlingen som helhet viser at mens konsekvensene av elektrisitet med lave CO2
utslipp ikke bør undervurderes, er det betydelig miljøforbedringspotensial knyttet til
overgangen til et kraftsystem basert på lavutslippsteknologi. De ekstra
miljøbelastninger i forbindelse med behovet for å balansere kraftsystemet synes å
være begrenset. Gevinstene oppnådd ved ny lavutslippskapasitet mer enn oppveier de
potensielle negative effektene knyttet til oppbygging av den tilhørende infrastruktur.
Består av
Paper 1: Bouman, Evert; Ramirez, Andrea; Hertwich, Edgar G.. Multiregional environmental comparison of fossil fuel power generation - Assessment of the contribution of fugitive emissions from conventional and unconventional fossil resources. International Journal of Greenhouse Gas Control 2015 ;Volume 33. p. 1-9 http://dx.doi.org/ 10.1016/j.ijggc.2014.11.015 The article in is reprinted with kind permission from Elsevier, sciencedirect.comPaper 2: Bouman, Evert; Øberg, Martha Marie; Hertwich, Edgar G.. Environmental impacts of balancing offshore wind power with compressed air energy storage (CAES). Energy 2016 ;Volume 95. p. 91-98 http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2015.11.041 © 2016. This manuscript version included is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Paper 3: Bouman, E. A., C. Skar, and E. G. Hertwich. 2015c. LCA of electricity technologies using capacity factors dependent on economic dispatch.
Paper 4: Bouman, E. A., C. Skar, and E. Hertwich. 2015d. Specific renewable energy technology targets can reduce life cycle impacts of electricity generation. Reproduced with permission from Environmental Science & Technology, submitted for publication. Unpublished work copyright 2015 American Chemical Society.