• norsk
    • English
  • English 
    • norsk
    • English
  • Login
View Item 
  •   Home
  • Fakultet for ingeniørvitenskap (IV)
  • Institutt for energi og prosessteknikk
  • View Item
  •   Home
  • Fakultet for ingeniørvitenskap (IV)
  • Institutt for energi og prosessteknikk
  • View Item
JavaScript is disabled for your browser. Some features of this site may not work without it.

Prospective Environmental Impacts of Selected Low-Carbon Electricity Technologies

Bouman, Evert A.
Doctoral thesis
View/Open
Fulltext not available (Locked)
Fulltext (PDF) available (7.977Mb)
URI
http://hdl.handle.net/11250/2372777
Date
2015
Metadata
Show full item record
Collections
  • Institutt for energi og prosessteknikk [2767]
Abstract
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.
 
Has parts
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.com

Paper 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.
Publisher
NTNU
Series
Doctoral thesis at NTNU;2015:312

Contact Us | Send Feedback

Privacy policy
DSpace software copyright © 2002-2019  DuraSpace

Service from  Unit
 

 

Browse

ArchiveCommunities & CollectionsBy Issue DateAuthorsTitlesSubjectsDocument TypesJournalsThis CollectionBy Issue DateAuthorsTitlesSubjectsDocument TypesJournals

My Account

Login

Statistics

View Usage Statistics

Contact Us | Send Feedback

Privacy policy
DSpace software copyright © 2002-2019  DuraSpace

Service from  Unit