Prospective Environmental Impacts of Selected Low-Carbon Electricity Technologies

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.